Инвертор мощности , 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 делают противоположность выпрямителям , которые изначально были большими электромеханическими устройствами, преобразующими переменный ток в постоянный. [2]
Входное напряжение , выходное напряжение и частота, а также общая мощность зависят от конструкции конкретного устройства или схемы. Инвертор не вырабатывает никакой мощности; мощность обеспечивается источником постоянного тока.
Инвертор мощности может быть полностью электронным или может быть комбинацией механических эффектов (например, вращающегося аппарата) и электронной схемы. Статические инверторы не используют движущиеся части в процессе преобразования.
Инверторы мощности в основном используются в электроэнергетических приложениях, где присутствуют высокие токи и напряжения; схемы, которые выполняют ту же функцию для электронных сигналов, которые обычно имеют очень низкие токи и напряжения, называются осцилляторами . Схемы, которые выполняют противоположную функцию, преобразуя переменный ток в постоянный, называются выпрямителями.
Типичное устройство или схема инвертора мощности требуют стабильного источника постоянного тока, способного обеспечить достаточный ток для предполагаемых потребностей системы в мощности. Входное напряжение зависит от конструкции и назначения инвертора. Вот некоторые примеры:
Инвертор может вырабатывать прямоугольную волну , синусоидальную волну , модифицированную синусоидальную волну, импульсную синусоидальную волну или близкую к синусоидальной широтно-импульсную модулированную волну (ШИМ) в зависимости от конструкции схемы. Распространенные типы инверторов вырабатывают прямоугольные волны или квазипрямоугольные волны. Одной из мер чистоты синусоиды является полное гармоническое искажение (THD). [4] Технические стандарты для коммерческих распределительных сетей электроснабжения требуют менее 3% THD в форме волны в точке подключения клиента. Стандарт IEEE 519 рекомендует менее 5% THD для систем, подключаемых к электросети.
Существуют две основные конструкции для производства бытового напряжения из источника постоянного тока с более низким напряжением, первая из которых использует импульсный повышающий преобразователь для производства постоянного тока с более высоким напряжением, а затем преобразует его в переменный ток. Второй метод преобразует постоянный ток в переменный ток на уровне батареи и использует трансформатор частоты линии для создания выходного напряжения. [5]
Прямоугольная волна с рабочим циклом 50% является одной из самых простых форм волны, которую может создать инверторная конструкция, но добавляет ~48,3% THD к своей основной синусоидальной волне. [4] Таким образом, выходная прямоугольная волна может создавать нежелательные «гудящие» шумы при подключении к аудиооборудованию и лучше подходит для приложений с низкой чувствительностью, таких как освещение и отопление.
Силовой инвертор, который вырабатывает многоступенчатую синусоидальную волну переменного тока, называется синусоидальным инвертором . Чтобы более четко различать инверторы с выходами с гораздо меньшими искажениями, чем инверторы с модифицированной синусоидальной волной (трехступенчатые), производители часто используют фразу инвертор с чистой синусоидальной волной . Почти все инверторы потребительского класса, которые продаются как «инверторы с чистой синусоидальной волной», вообще не вырабатывают гладкую синусоидальную волну, [ требуется ссылка ] просто менее прерывистый выход, чем инверторы с квадратной волной (двухступенчатые) и модифицированной синусоидальной волной (трехступенчатые). Однако это не критично для большинства электронных устройств, поскольку они достаточно хорошо справляются с выходом.
В тех случаях, когда инверторные устройства заменяют стандартное сетевое питание, желательно иметь выход с синусоидой, поскольку многие электроприборы спроектированы для лучшей работы с источником переменного тока с синусоидой. Стандартная электросеть обеспечивает синусоиду, как правило, с небольшими дефектами, но иногда и со значительными искажениями.
Синусоидальные инверторы с более чем тремя ступенями на выходе волны более сложны и имеют значительно более высокую стоимость, чем модифицированная синусоида, только с тремя ступенями, или прямоугольные (одна ступень) типы той же мощности. Устройства с импульсным питанием (SMPS), такие как персональные компьютеры или DVD-плееры, работают на модифицированной синусоидальной мощности. Двигатели переменного тока, напрямую работающие на несинусоидальной мощности, могут выделять дополнительное тепло, могут иметь другие характеристики скорости и крутящего момента или могут производить больше слышимого шума, чем при работе на синусоидальной мощности.
Модифицированная синусоида представляет собой сумму двух прямоугольных волн , одна из которых задержана на четверть периода относительно другой. Результатом является повторяющаяся последовательность скачков напряжения: ноль, пиковый положительный, ноль, пиковый отрицательный и снова ноль. Результирующая форма волны напряжения лучше приближается к форме синусоидальной формы волны напряжения, чем к одиночной прямоугольной волне. Большинство недорогих инверторов бытовой электросети вырабатывают модифицированную синусоидальную волну, а не чистую синусоиду.
Если форма волны выбрана так, чтобы ее пиковые значения напряжения были в течение половины времени цикла, отношение пикового напряжения к среднеквадратичному напряжению будет таким же, как для синусоиды. Напряжение шины постоянного тока может активно регулироваться, или время «включения» и «выключения» может быть изменено для поддержания того же выходного значения среднеквадратичного значения вплоть до напряжения шины постоянного тока для компенсации изменений напряжения шины постоянного тока. Изменяя ширину импульса, можно изменить гармонический спектр. Самый низкий THD для трехступенчатой модифицированной синусоиды составляет 30%, когда импульсы имеют ширину 130 градусов каждого электрического цикла. Это немного ниже, чем для прямоугольной волны. [6]
Соотношение времени включения и выключения можно регулировать для изменения среднеквадратичного напряжения при поддержании постоянной частоты с помощью техники, называемой широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Сгенерированные затворные импульсы подаются на каждый переключатель в соответствии с разработанным шаблоном для получения желаемого выходного сигнала. Гармонический спектр на выходе зависит от ширины импульсов и частоты модуляции. Можно показать, что минимальное искажение трехуровневой формы сигнала достигается, когда импульсы простираются более чем на 130 градусов формы сигнала, но результирующее напряжение все еще будет иметь около 30% THD, что выше коммерческих стандартов для источников питания, подключенных к сети. [7] При работе асинхронных двигателей гармоники напряжения обычно не вызывают беспокойства; однако гармонические искажения в форме тока приводят к дополнительному нагреву и могут создавать пульсирующие крутящие моменты. [8]
Многочисленные элементы электрооборудования будут работать достаточно хорошо на инверторных устройствах с модифицированной синусоидальной волной, особенно нагрузки, которые являются резистивными по своей природе, такие как традиционные лампы накаливания. Элементы с импульсным источником питания работают почти полностью без проблем, но если элемент имеет сетевой трансформатор, он может перегреваться в зависимости от того, насколько мало он рассчитан.
Однако нагрузка может работать менее эффективно из-за гармоник, связанных с модифицированной синусоидой, и производить гудящий шум во время работы. Это также влияет на эффективность системы в целом, поскольку номинальная эффективность преобразования, указанная производителем, не учитывает гармоники. Поэтому инверторы с чистой синусоидой могут обеспечивать значительно более высокую эффективность, чем инверторы с модифицированной синусоидой.
Большинство двигателей переменного тока будут работать на инверторах MSW с уменьшением эффективности примерно на 20% из-за содержания гармоник. Однако они могут быть довольно шумными. Последовательный LC-фильтр, настроенный на основную частоту, может помочь. [9]
Распространенная топология инвертора с модифицированной синусоидой, используемая в инверторах бытовой электросети, выглядит следующим образом: встроенный микроконтроллер быстро включает и выключает силовые МОП-транзисторы на высокой частоте, например, ~50 кГц. МОП-транзисторы напрямую потребляют ток из источника постоянного тока низкого напряжения (например, батареи). Затем этот сигнал проходит через повышающие трансформаторы (обычно несколько трансформаторов меньшего размера подключаются параллельно, чтобы уменьшить общий размер инвертора) для получения сигнала более высокого напряжения. Затем выходной сигнал повышающих трансформаторов фильтруется конденсаторами для получения источника постоянного тока высокого напряжения. Наконец, этот источник постоянного тока импульсно подается микроконтроллером с дополнительными силовыми МОП-транзисторами для получения окончательного сигнала модифицированной синусоидальной волны.
Более сложные инверторы используют более двух напряжений для формирования многоступенчатого приближения к синусоиде. Они могут дополнительно снизить гармоники напряжения и тока и THD по сравнению с инвертором, использующим только чередующиеся положительные и отрицательные импульсы; но такие инверторы требуют дополнительных коммутационных компонентов, что увеличивает стоимость.
Некоторые инверторы используют ШИМ для создания формы волны, которая может быть отфильтрована низкими 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 много кГц, так что изменяющаяся ширина импульсов может быть сглажена для создания синусоидальной волны. Если для генерации времени переключения используется микропроцессор, гармоническое содержание и эффективность могут тщательно контролироваться.
Выходная частота переменного тока инверторного устройства обычно совпадает со стандартной частотой линии электропередачи, 50 или 60 Гц . Исключением являются конструкции для управления двигателем, где переменная частота приводит к переменному управлению скоростью.
Кроме того, если выходной сигнал устройства или схемы необходимо дополнительно обработать (например, повысить), то частота может быть намного выше для обеспечения хорошей эффективности трансформатора.
Выходное напряжение переменного тока инвертора мощности часто регулируется так, чтобы оно было таким же, как напряжение линии электропередачи, обычно 120 или 240 В переменного тока на уровне распределения, даже при изменениях нагрузки, которую управляет инвертор. Это позволяет инвертору питать многочисленные устройства, рассчитанные на стандартное сетевое питание.
Некоторые инверторы также позволяют выбирать или плавно изменять выходное напряжение.
Инвертор мощности часто имеет общую номинальную мощность, выраженную в ваттах или киловаттах. Это описывает мощность, которая будет доступна устройству, управляемому инвертором, и, косвенно, мощность, которая будет необходима от источника постоянного тока. Меньшие популярные потребительские и коммерческие устройства, предназначенные для имитации сетевого питания, обычно имеют мощность от 150 до 3000 Вт.
Не все применения инверторов связаны исключительно или в первую очередь с подачей электроэнергии; в некоторых случаях свойства частоты и/или формы сигнала используются последующей схемой или устройством.
Продолжительность работы инвертора, работающего от батарей, зависит от мощности батареи и количества энергии, потребляемой инвертором в данный момент времени. По мере увеличения количества оборудования, использующего инвертор, продолжительность работы будет уменьшаться. Для продления времени работы инвертора к инвертору можно добавить дополнительные батареи. [10]
Формула для расчета емкости аккумуляторной батареи инвертора: [11]
Емкость аккумулятора (Ач) = Общая нагрузка (в ваттах) × Время использования (в часах) / Входное напряжение (В)
При попытке добавить дополнительные батареи к инвертору существует два основных варианта установки:
Инвертор преобразует постоянный ток из таких источников, как батареи или топливные элементы , в переменный ток. Электричество может иметь любое требуемое напряжение; в частности, оно может управлять оборудованием переменного тока, предназначенным для работы от сети, или выпрямляться для получения постоянного тока с любым требуемым напряжением.
Источник бесперебойного питания (ИБП) использует батареи и инвертор для подачи переменного тока при отсутствии сетевого питания. Когда сетевое питание восстанавливается, выпрямитель подает постоянный ток для подзарядки батарей.
Схемы инвертора, предназначенные для создания переменного диапазона выходного напряжения, часто используются в контроллерах скорости двигателя. Питание постоянного тока для секции инвертора может быть получено от обычной настенной розетки переменного тока или какого-либо другого источника. Схемы управления и обратной связи используются для регулировки конечного выхода секции инвертора, который в конечном итоге определит 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, железнодорожные транспортные системы и электроинструменты. (См. по теме: частотно-регулируемый привод ) Состояния переключения разрабатываются для положительного, отрицательного и нулевого напряжения в соответствии с шаблонами, приведенными в таблице переключения 1. Сгенерированные импульсы затвора подаются на каждый переключатель в соответствии с разработанным шаблоном, и таким образом получается выход.
Инвертор может использоваться для управления скоростью двигателя компрессора для управления переменным потоком хладагента в холодильной или кондиционирующей системе для регулирования производительности системы. Такие установки известны как инверторные компрессоры . Традиционные методы регулирования охлаждения используют односкоростные компрессоры, которые периодически включаются и выключаются; системы, оснащенные инвертором, имеют частотно-регулируемый привод , который управляет скоростью двигателя и, таким образом, производительностью компрессора и охлаждения. Переменный ток переменной частоты от инвертора приводит в действие бесщеточный или асинхронный двигатель , скорость которого пропорциональна частоте подаваемого переменного тока, поэтому компрессор может работать на переменных скоростях — устранение циклов остановки-запуска компрессора повышает эффективность. Микроконтроллер обычно контролирует температуру в охлаждаемом помещении 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 Toshiba в 1981 году в Японии. [13]
Сетевые инверторы предназначены для подачи в систему распределения электроэнергии. [14] Они передают синхронно с линией и имеют как можно меньше гармонического содержания. Им также необходимо средство обнаружения наличия мощности в целях безопасности, чтобы не продолжать опасную подачу мощности в сеть во время отключения электроэнергии.
Синхронопреобразователи — это инверторы, которые разработаны для имитации вращающегося генератора и могут использоваться для стабилизации сетей. Они могут быть разработаны для более быстрой, чем обычные генераторы, реакции 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 — это компонент баланса системы (BOS) фотоэлектрической системы , который может использоваться как для подключенных к сети, так и для автономных (автономных) систем. Солнечные инверторы имеют специальные функции, адаптированные для использования с фотоэлектрическими массивами, включая отслеживание точки максимальной мощности и защиту от островкового режима.
Солнечные микроинверторы отличаются от обычных инверторов тем, что к каждой солнечной панели прикреплен отдельный микроинвертор. Это может повысить общую эффективность системы. Выход нескольких микроинверторов затем объединяется и часто подается в электрическую сеть .
В других приложениях обычный инвертор может быть объединен с аккумуляторной батареей, поддерживаемой контроллером солнечного заряда. Эту комбинацию компонентов часто называют солнечным генератором. [15]
Солнечные инверторы также используются в фотоэлектрических системах космических аппаратов .
Инверторы преобразуют низкочастотный основной переменный ток в более высокую частоту для использования в индукционном нагреве . Для этого переменный ток сначала выпрямляется для получения постоянного тока. Затем инвертор преобразует постоянный ток в высокочастотный переменный ток. Благодаря сокращению количества используемых источников постоянного тока структура становится более надежной, а выходное напряжение имеет более высокое разрешение из-за увеличения количества шагов, так что опорное синусоидальное напряжение может быть лучше достигнуто. Эта конфигурация в последнее время стала очень популярной в источниках переменного тока и приложениях с регулируемой скоростью привода. Этот новый инвертор позволяет избежать дополнительных фиксирующих диодов или конденсаторов балансировки напряжения.
Существует три вида методов модуляции со смещением уровня, а именно:
При передаче электроэнергии HVDC переменный ток выпрямляется, а постоянный ток высокого напряжения передается в другое место. В месте приема инвертор в преобразовательной станции HVDC преобразует энергию обратно в переменный ток. Инвертор должен быть синхронизирован с частотой и фазой сети и минимизировать генерацию гармоник.
Электрошоковое оружие и тазеры имеют инвертор постоянного тока в переменный для генерации нескольких десятков тысяч В переменного тока из небольшой батареи постоянного тока 9 В. Сначала постоянный ток 9 В преобразуется в переменный ток 400–2000 В с помощью компактного высокочастотного трансформатора, который затем выпрямляется и временно хранится в высоковольтном конденсаторе до тех пор, пока не будет достигнуто заданное пороговое напряжение. Когда достигается пороговое значение (установленное с помощью воздушного зазора или симистора), конденсатор сбрасывает всю свою нагрузку в импульсный трансформатор , который затем повышает ее до конечного выходного напряжения 20–60 кВ. Вариант этого принципа также используется в электронных вспышках и ловушках для насекомых , хотя они полагаются на умножитель напряжения на основе конденсатора для достижения своего высокого напряжения.
Типичные области применения инверторов мощности включают в себя:
В одной простой схеме инвертора постоянный ток подключается к трансформатору через центральный отвод первичной обмотки. Релейный 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. Изменение направления тока в первичной обмотке трансформатора создает переменный ток (AC) во вторичной цепи.
Электромеханическая версия коммутационного устройства включает в себя два неподвижных контакта и подвижный контакт с пружинной поддержкой. Пружина удерживает подвижный контакт напротив одного из неподвижных контактов, а электромагнит тянет подвижный контакт к противоположному неподвижному контакту. Ток в электромагните прерывается действием переключателя, так что переключатель непрерывно 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 татуировочных машинках .
По мере того, как они становились доступными с адекватными номинальными мощностями, транзисторы и различные другие типы полупроводниковых переключателей были включены в конструкции инверторных схем. Определенные номинальные мощности, особенно для больших систем (много киловатт), используют тиристоры (SCR). SCR обеспечивают большую мощность обработки в полупроводниковом устройстве и могут легко управляться в диапазоне переменного зажигания.
Переключатель в простом инверторе, описанном выше, когда он не соединен с выходным трансформатором, создает квадратную форму волны напряжения из-за своей простой природы включения и выключения в отличие от синусоидальной формы волны, которая является обычной формой волны источника питания переменного тока. Используя анализ Фурье , периодические волны представляются как сумма бесконечного ряда синусоидальных волн. Синусоидальная волна, которая имеет ту же частоту , что и исходная волна, называется основной составляющей. Другие синусоидальные волны, называемые гармониками , которые включены в ряд, имеют частоты, которые являются целыми кратными основной частоты.
Для расчета коэффициента гармонических искажений (THD) можно использовать анализ Фурье . Коэффициент гармонических искажений (THD) равен квадратному корню из суммы квадратов гармонических напряжений, деленной на основное напряжение:
Существует множество различных топологий силовых цепей и стратегий управления, используемых в конструкциях инверторов. [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 может, с правильной топологией инвертора (полный H-мост), заряжать аккумулятор автомобиля при замедлении или торможении. Аналогичным образом, правильная топология (полный H-мост) может поменять роли «источника» и «нагрузки», то есть, если, например, напряжение выше на стороне «нагрузки» переменного тока (путем добавления солнечного инвертора, похожего на генераторную установку, но твердотельного), энергия может течь обратно в «источник» постоянного тока или аккумулятор.
На основе базовой топологии H-моста существуют две различные фундаментальные стратегии управления, называемые базовым частотно-переменным мостовым преобразователем и ШИМ-управлением. [17] Здесь, на левом изображении схемы H-моста, верхний левый переключатель обозначен как «S1», а другие обозначены как «S2, S3, S4» в порядке против часовой стрелки.
Для базового частотно-переменного мостового преобразователя переключатели могут работать на той же частоте, что и переменный ток в электросети. Однако частота переменного тока определяется скоростью, с которой переключатели открываются и закрываются. Когда S1 и S4 включены, а два других выключены, нагрузка обеспечивается положительным напряжением и наоборот. Мы могли бы управлять состояниями включения-выключения переключателей для регулировки величины и фазы переменного тока. Мы также могли бы управлять переключателями для устранения определенных гармоник. Это включает управление переключателями для создания вырезов или областей 0-го состояния в выходной форме сигнала или добавление выходов двух или более преобразователей параллельно, 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. Другие два переключателя будут переключаться гораздо быстрее (обычно 100 кГц) для создания прямоугольных напряжений одинаковой величины, но для разной продолжительности времени, что ведет себя как напряжение с изменяющейся величиной в большем временном масштабе.
Эти две стратегии создают разные гармоники. Для первой, посредством анализа Фурье, величина гармоник будет 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. Их разные характеристики гармоник приводят к разным требованиям к THD и устранению гармоник. Подобно «THD», концепция «качество формы сигнала» представляет собой уровень искажений, вызванных гармониками. Качество формы сигнала переменного тока, созданного непосредственно упомянутым выше H-мостом, будет не таким хорошим, как нам хотелось бы.
Проблему качества формы сигнала можно решить многими способами. Конденсаторы и индукторы можно использовать для фильтрации формы сигнала. Если конструкция включает трансформатор , фильтрация может применяться к первичной или вторичной стороне трансформатора или к обеим сторонам. Фильтры нижних частот применяются для того, чтобы позволить основному компоненту формы сигнала пройти на выход, ограничивая при этом прохождение гармонических компонентов. Если инвертор предназначен для обеспечения мощности на фиксированной частоте, можно использовать резонансный фильтр. Для регулируемого частотного инвертора фильтр должен быть настроен на частоту, которая выше максимальной основной частоты.
Поскольку большинство нагрузок содержат индуктивность, выпрямители обратной связи или антипараллельные диоды часто подключаются через каждый полупроводниковый переключатель, чтобы обеспечить путь для пикового индуктивного тока нагрузки, когда переключатель выключен. Антипараллельные диоды в некоторой степени похожи на диоды свободного хода, используемые в схемах преобразователей переменного тока в постоянный.
Анализ Фурье показывает, что форма волны, например, прямоугольная волна, которая антисимметрична относительно точки 180 градусов, содержит только нечетные гармоники, 3-ю, 5-ю, 7-ю и т. д. Формы волн, которые имеют ступеньки определенной ширины и высоты, могут ослаблять определенные более низкие гармоники за счет усиления более высоких гармоник. Например, вставив ступеньку нулевого напряжения между положительной и отрицательной частями прямоугольной волны, можно устранить все гармоники, которые делятся на три (3-ю, 9-ю и т. д.). Это оставляет только 5-ю, 7-ю, 11-ю, 13-ю и т. д. Требуемая ширина ступеней составляет одну треть периода для каждой из положительных и отрицательных ступеней и одну шестую периода для каждой из ступеней нулевого напряжения. [19]
Изменение прямоугольной волны, как описано выше, является примером широтно-импульсной модуляции. Модуляция или регулирование ширины прямоугольного импульса часто используется как метод регулирования или настройки выходного напряжения инвертора. Когда управление напряжением не требуется, можно выбрать фиксированную ширину импульса, чтобы уменьшить или устранить выбранные гармоники. 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 менее дорогими. Схемы управления широтно-импульсной модуляцией или ШИМ на основе несущей частоты создают формы волн, которые состоят из множества узких импульсов. Частота, представленная числом узких импульсов в секунду, называется частотой переключения или несущей частотой . Эти схемы управления часто используются в инверторах управления двигателем с переменной частотой, поскольку они допускают широкий диапазон регулировки выходного напряжения и частоты, а также улучшают качество формы волны.
Многоуровневые инверторы обеспечивают другой подход к гармоническому подавлению. Многоуровневые инверторы обеспечивают выходную форму волны, которая демонстрирует несколько ступеней на нескольких уровнях напряжения. Например, можно создать более синусоидальную волну, имея разделенные входы постоянного тока на двух напряжениях или положительные и отрицательные входы с центральным заземлением . Подключая выходные клеммы инвертора последовательно между положительной шиной и землей, положительной шиной и отрицательной шиной, заземляющей шиной и отрицательной шиной, затем обеими к заземляющей шине, на выходе инвертора генерируется ступенчатая форма волны. Это пример трехуровневого инвертора: два напряжения и земля. [20]
Резонансные инверторы создают синусоидальные волны с помощью LC-цепей для удаления гармоник из простой прямоугольной волны. Обычно есть несколько последовательно- и параллельно-резонансных LC-цепей, каждая из которых настроена на отдельную гармонику частоты линии электропередачи. Это упрощает электронику, но индукторы и конденсаторы, как правило, большие и тяжелые. Его высокая эффективность делает этот подход популярным в больших источниках бесперебойного питания в центрах обработки данных, которые непрерывно запускают инвертор в режиме «онлайн», чтобы избежать переходных процессов переключения при отключении питания. (См. по теме: Резонансный инвертор )
Близкий подход использует феррорезонансный трансформатор, также известный как трансформатор постоянного напряжения , для удаления гармоник и накопления достаточной энергии для поддержания нагрузки в течение нескольких циклов переменного тока. Это свойство делает их полезными в резервных источниках питания для устранения переходного процесса переключения, который в противном случае происходит во время сбоя питания, когда обычно неработающий инвертор запускается, а механические реле переключаются на его выход.
Предложение, предложенное в журнале Power Electronics, использует два напряжения в качестве улучшения по сравнению с распространенной коммерческой технологией, которая может только применять напряжение шины постоянного тока в любом направлении или отключать его. Предложение добавляет промежуточные напряжения к распространенной конструкции. Каждый цикл видит следующую последовательность подаваемых напряжений: v1, v2, v1, 0, −v1, −v2, −v1, 0. [18]
Трехфазные инверторы используются для частотно-регулируемых приводов и для мощных приложений, таких как передача электроэнергии HVDC . Базовый трехфазный инвертор состоит из трех однофазных инверторных переключателей, каждый из которых подключен к одной из трех клемм нагрузки. Для самой базовой схемы управления работа трех переключателей координируется таким образом, что один переключатель работает в каждой точке 60 градусов основной выходной формы волны. Это создает выходную форму волны «линия-линия», которая имеет шесть шагов. Шестиступенчатая форма волны имеет шаг нулевого напряжения между положительной и отрицательной секциями прямоугольной волны, так что гармоники, кратные трем, устраняются, как описано выше. Когда методы ШИМ на основе несущей применяются к шестиступенчатым формам волны, основная общая форма или огибающая формы волны сохраняется, так что 3-я гармоника и ее кратные отменяются.
Для создания инверторов с более высокими номинальными мощностями два шестиступенчатых трехфазных инвертора могут быть соединены параллельно для более высокого номинального тока или последовательно для более высокого номинального напряжения. В любом случае выходные формы волн сдвинуты по фазе для получения 12-ступенчатой формы волны. Если объединить дополнительные инверторы, то получится 18-ступенчатый инвертор с тремя инверторами и т. д. Хотя инверторы обычно объединяются с целью достижения более высоких номинальных значений напряжения или тока, качество формы волны также улучшается.
По сравнению с другими бытовыми электроприборами инверторы имеют большие размеры и объем. В 2014 году Google совместно с IEEE начали открытый конкурс под названием Little Box Challenge с призовым фондом в $1 000 000, чтобы построить (гораздо) меньший инвертор мощности. [21]
С конца девятнадцатого века до середины двадцатого века преобразование постоянного тока в переменный осуществлялось с помощью вращающихся преобразователей или мотор-генераторных установок (МГ установок). В начале двадцатого века в качестве переключателей в инверторных схемах начали использовать вакуумные и газонаполненные лампы . Наиболее широко используемым типом лампы был тиратрон .
Происхождение электромеханических инверторов объясняет происхождение термина инвертор . Ранние преобразователи переменного тока в постоянный использовали индукционный или синхронный двигатель переменного тока, напрямую подключенный к генератору (динамо), так что коммутатор генератора менял свои соединения в точно нужные моменты для получения 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 одной рамкой поля. Результатом любого из них является вход переменного тока, выход постоянного тока. С набором MG постоянный ток можно считать отдельно генерируемым из переменного тока; с синхронным преобразователем, в определенном смысле, его можно считать «механически выпрямленным переменным током». При наличии правильного вспомогательного и контрольного оборудования набор MG или вращающийся преобразователь можно «запустить в обратном направлении», преобразуя постоянный ток в переменный. Следовательно, инвертор является инвертированным преобразователем. [22]
Поскольку ранние транзисторы не обладали достаточными номинальными значениями напряжения и тока для большинства применений инверторов, именно появление в 1957 году тиристорного или кремниевого управляемого выпрямителя (SCR) положило начало переходу к твердотельным инверторным схемам.
Требования к коммутации тиристоров являются ключевым фактором в конструкциях схем тиристоров. тиристоры не выключаются и не коммутируются автоматически, когда сигнал управления затвором отключается. Они выключаются только тогда, когда прямой ток уменьшается до уровня ниже минимального тока удержания, который варьируется для каждого 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 постоянного тока, обычно требуются средства принудительной коммутации, которые заставляют ток стремиться к нулю, когда требуется коммутация. Наименее сложные схемы тиристоров используют естественную коммутацию, а не принудительную. С добавлением схем принудительной коммутации тиристоры использовались в типах схем инверторов, описанных выше.
В приложениях, где инверторы передают мощность от источника постоянного тока к источнику переменного тока, можно использовать управляемые выпрямительные схемы переменного тока в постоянный, работающие в режиме инверсии. В режиме инверсии управляемая выпрямительная схема работает как инвертор с коммутацией линии. Этот тип работы может использоваться в системах передачи электроэнергии HVDC и в режиме рекуперативного торможения систем управления двигателем.
Другой тип схемы инвертора SCR — это инвертор с входным источником тока (CSI). Инвертор CSI является аналогом шестиступенчатого инвертора источника напряжения. С инвертором с источником тока источник постоянного тока сконфигурирован как источник тока, а не как источник напряжения . Инверторные SCR переключаются в шестиступенчатой последовательности для направления тока 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 регулирование входного тока помогает коммутации. При коммутации нагрузки нагрузкой является синхронный двигатель, работающий с опережающим коэффициентом мощности.
Поскольку полупроводники, такие как транзисторы или IGBT , которые можно отключать с помощью управляющих сигналов, стали доступны в более высоких диапазонах напряжения и тока, они стали предпочтительными коммутационными компонентами для использования в инверторных схемах.
Схемы выпрямителей часто классифицируются по числу импульсов тока, которые протекают к стороне постоянного тока выпрямителя за цикл входного напряжения переменного тока. Однофазный однополупериодный выпрямитель представляет собой одноимпульсную схему, а однофазный двухполупериодный выпрямитель представляет собой двухимпульсную схему. Трехфазный однополупериодный выпрямитель представляет собой трехимпульсную схему, а трехфазный двухполупериодный выпрямитель представляет собой шестиимпульсную схему. [23]
В трехфазных выпрямителях два или более выпрямителей иногда подключаются последовательно или параллельно для получения более высоких значений напряжения или тока. Входы выпрямителя питаются от специальных трансформаторов, которые обеспечивают сдвинутые по фазе выходы. Это имеет эффект умножения фаз. Шесть фаз получаются из двух трансформаторов, двенадцать фаз из трех трансформаторов и т. д. Соответствующие схемы выпрямителя представляют собой 12-импульсные выпрямители, 18-импульсные выпрямители и т. д.
Когда управляемые выпрямительные схемы работают в режиме инверсии, они также классифицируются по числу импульсов. Выпрямительные схемы с большим числом импульсов имеют пониженное содержание гармоник во входном переменном токе и пониженную пульсацию в выходном постоянном напряжении. В режиме инверсии схемы с большим числом импульсов имеют пониженное содержание гармоник в форме выходного переменного напряжения.
Крупные коммутационные устройства для передачи электроэнергии, установленные до 1970 года, в основном использовали ртутно-дуговые вентили . Современные инверторы обычно являются твердотельными (статическими инверторами). Современный метод проектирования включает компоненты, расположенные в конфигурации Hbridge. Эта конструкция также довольно популярна среди потребительских устройств меньшего масштаба. [24] [25]
