Fordítsa meg az egyenirányító áramkört, csatlakoztassa az egyik végét egyenáramhoz (DC), a másik vége pedig váltakozó áramot (AC) vezethet ki. Ez egy inverter, egy olyan eszköz, amely az egyenáramot váltakozó árammá alakítja.
A legtöbb kereskedelmi, ipari és lakossági terhelés váltakozó áramot igényel, de a váltakozó áramot nem lehet akkumulátorokban tárolni, és az akkumulátor tárolása fontos a tartalék áramellátáshoz. Manapság ez a hiba egyenáramú tápegységgel kiküszöbölhető.
Az egyenáram polaritása nem változik az idő múlásával, mint a váltakozó áram, így az egyenáram akkumulátorokban és szuperkondenzátorokban tárolható. Így először átalakíthatjuk a váltakozó áramot egyenárammá, majd tárolhatjuk az akkumulátorban. Ily módon, amikor váltakozó áramú készülékek működtetéséhez váltakozó áramra van szükség, az egyenáram vissza lesz alakítva váltakozó árammá a váltakozó áramú készülékek működtetéséhez.
Az alkalmazás bemeneti forrása, csatlakozási módja, kimeneti feszültség hullámformája stb. szerint az inverterek a következő 17 fő kategóriába sorolhatók.
1. Osztályozás bemeneti forrás szerint
Az inverter bemenete lehet feszültségforrás vagy áramforrás, ezért feszültségforrás-inverterekre (VSI) és áramforrás-inverterekre (CSI) van felosztva.
Feszültségforrás-inverter (VSI)
Ha az inverter bemenete állandó egyenfeszültségű forrás, az invertert feszültségforrás-inverternek nevezzük.
A feszültségforrás-inverter bemenetén egy merev, nulla impedanciájú DC feszültségforrás található. Valójában a DC feszültségforrás impedanciája figyelmen kívül hagyható. Feltételezve, hogy a VSI-t egy ideális feszültségforrás (rendkívül alacsony impedanciájú forrás) táplálja, a váltakozó áramú kimeneti feszültséget teljes mértékben az inverterben lévő kapcsolókészülékek állapota és az alkalmazott egyenáramú tápegység határozza meg.
Áramforrás-inverter (CSI)
Ha az inverter bemenete állandó egyenáramú forrás, akkor az invertert áramforrás inverternek nevezzük.
A merev áramot egy egyenáramú tápforrás szolgáltatja a CSI-nek, ahol az egyenáramú tápforrás nagy impedanciájú. Általában nagy tekercseket vagy zárt hurkú vezérlőáramokat használnak merev áramok biztosítására. A keletkező áramhullám merev, és nem befolyásolja a terhelés. Az AC kimeneti áramot teljes mértékben az inverterben lévő kapcsolókészülékek és az egyenáramú tápegység állapota határozzák meg.
2. Osztályozás kimeneti fázis szerint
A kimeneti feszültség és áramfázis szerint az invertereket alapvetően két kategóriába sorolják: egyfázisú és háromfázisú inverterek.
Egyfázisú inverter
Az egyfázisú inverter a DC bemenetet egyfázisú kimenetté alakítja. Az egyfázisú inverter kimeneti feszültségének/áramának csak egy fázisa van, névleges frekvenciája pedig 50 Hz vagy 60 Hz névleges feszültsége.
A névleges feszültség az a feszültségszint, amelyen az elektromos rendszer működik. Különböző névleges feszültségek léteznek, nevezetesen 120V, 220V, 440V, 690V, 3.3KV, 6.6KV, 11kV, 33kV, 66kV, 132kV, 220kV, 400kV és 765kV. Alacsony névleges feszültség közvetlenül elérhető belső transzformátorok vagy boost és buck áramkörrel rendelkező inverterek használatával, míg a magas névleges feszültséghez külső boost transzformátorokat használnak.
Az egyfázisú invertereket kis terhelésekhez használják. Az egyfázisú veszteségek nagyobbak, és az egyfázisú hatásfok alacsonyabb, mint a háromfázisú invertereknél. Ezért nagy terhelés esetén a háromfázisú inverterek a legjobb választás.
Háromfázisú inverter
A háromfázisú inverter az egyenáramot háromfázisúvá alakítja. A háromfázisú tápegység három csatornás váltakozó áramot biztosít egyenletesen elválasztott fázisszögekkel. A kimeneti végén keletkező mindhárom hullám amplitúdója és frekvenciája azonos, de a terheléstől függően kismértékben változik, és mindegyik hullám 120 fokos fáziseltolással rendelkezik egymás között.
Alapvetően egy háromfázisú inverter három egyfázisú inverterből áll, mindegyik 120 fokos fázistávolsággal, és mindegyik egyfázisú inverter a három terhelési kapocs valamelyikéhez csatlakozik.
3. Kommutációs technológia szerint osztályozva
A kommutációs technológia szerint két fő típusra osztható: vonalkommutációs és kényszerkommutációs inverterekre. Ezen kívül létezhetnek segédkommutációs inverterek és komplementer kommutációs inverterek, de mivel ezeket nem használják általánosan, itt röviden tárgyaljuk a két fő típust.
Vonal megfordítása
Az ilyen típusú invertereknél az AC áramkör hálózati feszültsége berendezéseken keresztül érhető el; Amikor az SCR árama nulla karakterisztikát tapasztal, az eszköz kikapcsol. Ezt a kommutációs folyamatot vonalkommutációnak, az ezen az elven működő invertereket pedig vonalkommutációs invertereknek nevezzük.
Kényszerített kommutáció
Az ilyen típusú kommutációnál nem lesz nulla pont a tápegységben. Ezért van szükség néhány külső forrásra az eszköz javításához. Ezt a kommutációs folyamatot kényszerkommutációnak, az ezen a folyamaton alapuló invertereket pedig kényszerkommutációs invertereknek nevezzük.
4. Csatlakozási mód szerint osztályozva
A tirisztorok bekötési módja szerint az áramkörben soros inverterekre, párhuzamos inverterekre és hídinverterekre osztható, amelyek között a hídinverterek tovább oszthatók félhídra, teljes hídra és háromfázisú hídra.
Soros inverter
A soros inverter pár tirisztorból és RLC (ellenállás, induktivitás és kapacitás) áramkörből áll. Egy tirisztor az RLC áramkörrel párhuzamosan, egy tirisztor pedig sorba van kötve az egyenáramú tápegység és az RLC áramkör közé. Ezt a fajta invertert soros inverternek nevezik, mivel a terhelést tirisztorok segítségével közvetlenül sorba kötik az egyenáramú áramforrással.
A sorozatos invertereket önkommutációs invertereknek is nevezik, mivel az ilyen típusú inverterek tirisztorait a terhelés önkommutálja. Ennek az inverternek egy másik neve „terhelési kommutációs inverter”. Ennek a névnek az az oka, hogy az LCR egy kommutációt biztosító terhelés.
Párhuzamos inverter
A párhuzamos inverter két tirisztorból, egy kondenzátorból, egy középső leágazó transzformátorból és egy induktorból áll. A tirisztorok az áram áramlásának útját biztosítják, míg az induktorok az áramforrás állandó tartására szolgálnak. E tirisztorok vezetését és kikapcsolását a közéjük csatlakoztatott kommutációs kondenzátorok szabályozzák.
Párhuzamos inverternek nevezik, mert működés közben a kondenzátor a terheléssel párhuzamosan van összekötve egy transzformátoron keresztül.
Félhíd inverter
A félhíd inverter működéséhez két elektronikus kapcsoló szükséges. A kapcsolók lehetnek MOSFET-ek, IJBT-k, BJT-k vagy tirisztorok.A tirisztoros és BJT kapcsolókkal ellátott félhídhoz két további dióda szükséges, kivéve a tiszta ellenállásos terheléseket, míg a MOSFET-ek beépített diódákkal rendelkeznek. Röviden, két kapcsoló elegendő a tiszta ellenállásos terhelések kielégítéséhez, míg más terhelésekhez (induktorok és kondenzátorok) két további dióda szükséges. Ezeket a diódákat visszacsatoló diódáknak vagy szabadonfutó diódáknak nevezzük.
A félhíd inverter működési elve minden kapcsolónál azonos, de itt egy tirisztoros kapcsolós félhídról beszélünk. Két komplementer tirisztor létezik, ami azt jelenti, hogy egyszerre egy tirisztort kell vezetni. Ellenállásos terhelések esetén az áramkör két üzemmódban működik. A kapcsolási frekvencia határozza meg a kimeneti frekvenciát. Ha a kimeneti frekvencia 50 Hz, minden tirisztor egyszer vezet 20 ms-ig.
Teljes híd inverter
Az egyfázisú teljes híd inverter négy vezérelt kapcsolóval rendelkezik, amelyek a terhelés áramának irányát szabályozzák. Ez a híd 4 visszacsatoló diódával rendelkezik, amelyek a terhelésben tárolt energiát visszacsatolhatják a tápegységbe. Ezek a visszacsatoló diódák csak akkor működnek, ha az összes tirisztor ki van kapcsolva, és a terhelés nem pusztán ellenállásos terhelés.
Bármilyen terhelésnél egyszerre csak 2 tirisztor működik. A T1 és T2 tirisztor egy ciklusban, míg a T3 és T4 egy másik ciklusban vezet. Más szóval, amikor T1 és T2 BE állapotban van, T3 és T4 KI állapotban van, míg ha T3 és T4 BE állapotban van, a másik kettő KI állapotban van. Két vagy több tirisztor egyidejű nyitása rövidzárlatot okozhat, túlzott hőt termel, és azonnal kiégetheti az áramkört.
Háromfázisú híd inverter
Az ipari és egyéb nehéz terhelések háromfázisú tápellátást igényelnek. A tárolóeszközökről vagy más egyenáramú áramforrásokról származó nagy terhelések működtetéséhez háromfázisú inverterre van szükség. Erre a célra háromfázisú hídinverter használható.
A háromfázisú hídinverter egy másik típusú hídinverter, amely 6 vezérelt kapcsolóból és 6 diódából áll, az ábrán látható módon.
5. Üzemmód szerint osztályozva
Az üzemmód szerint az inverterek három fő kategóriába sorolhatók:
Független inverter
A független inverter közvetlenül csatlakozik a terheléshez, és nem szakítja meg más áramforrás. Független inverter vagy "off grid mode inverter", az inverter függetlenül látja el a terhelést anélkül, hogy a hálózat vagy más áramforrás befolyásolná.
Ezeket az invertereket off grid módú invertereknek nevezzük, mert a közüzemi hálózat nem érinti őket. Ezek az inverterek nem csatlakoztathatók a közüzemi hálózathoz, mert nem rendelkeznek szinkronizálási képességgel, ahol a szinkronizálás két váltakozó áramú áramforrás fázisának és névleges frekvenciájának (50/60hz) összehangolásának folyamata.
Hálózatra csatlakoztatott inverter
A hálózatra csatlakoztatott vagy hálózatra csatlakoztatott invertereknek (GTI) két fő funkciójuk van. A hálózatra kapcsolt inverterek egyik funkciója a tárolóeszközök (egyenáramú áramforrások) váltóáramának biztosítása a váltakozó áramú terhelések számára, míg a hálózatra csatlakoztatott inverterek másik funkciója a hálózat további tápellátása.
A hálózatra csatlakoztatott inverterek, más néven közüzemi interaktív inverterek, hálózat-összekötő inverterek vagy visszacsatoló inverterek, szinkronizálják az áram frekvenciáját és fázisát, hogy alkalmazkodjanak a közüzemi hálózathoz. Az inverter feszültségszintjének növelésével a teljesítmény az egyenáramú áramforrástól a közüzemi hálózatba kerül.
Dual Peak inverter
A dual Peak inverter hálózatra kapcsolt inverterként és független inverterként is működhet. Ezek az inverterek megújuló energiaforrásokból és tárolóeszközökből további energiát juttatnak a hálózatba, és villamos energiát vonhatnak vissza a hálózatból, ha a megújuló energiával előállított energia nem elegendő. Más szóval, ezek az inverterek független inverterként és hálózatra kapcsolt inverterként működhetnek a terhelés követelményeinek megfelelően. A kettős csúcsú inverterek többfunkciósak, beleértve a független inverterek és a hálózatra kapcsolt inverterek funkcióit.
A dual peak inverter funkciója a terhelés függvényében változik. Ha probléma van az elektromos hálózattal, vagy ha a megújuló energia teljesítménye elegendő a terhelés kielégítésére, akkor a funkciója független inverterre változik (független inverter lesz belőle). Ebben az esetben az átviteli kapcsoló leválasztja az invertert a hálózatról.
Amint a megújuló energia elkezd többletenergiát termelni, az üzemmód független üzemmódról hálózatra kapcsolt üzemmódra vált. Az inverter szinkronizálja fázisát és frekvenciáját az inverterrel, és megkezdi a további energia bejuttatását a hálózatba.
6. Osztályozás kimeneti hullámforma szerint
Az ideális inverter egy olyan inverter, amely az egyenáramú jeleket tiszta szinuszos AC kimenetekké alakítja. A tényleges inverterekkel az a probléma, hogy a kimeneti jeleik nem tisztán szinuszosak. A kimeneti hullámforma szerint az invertereket három kategóriába sorolják:
Négyzethullámú inverter
Ezek a legegyszerűbb inverterek az egyenáram váltóárammá alakítására, de a kimeneti hullámforma nem a szükséges tiszta szinuszhullám. Ezeknek az invertereknek négyszöghullámai vannak a kimeneti végén. Más szóval, ezek az inverterek az egyenáramú bemenetet négyszöghullámok formájában váltakozó árammá alakítják át. Mindeközben a négyzethullámú inverterek is olcsóbbak.
Ezeknek az invertereknek a legegyszerűbb felépítése egy H-híd inverter lehet. Amint az ábrán látható, SPDT (single push double throw) kapcsolók használatával, mielőtt a transzformátor egyszerűbb változatot érhetne el. Ez a transzformátor segít a kívánt kimeneti feszültség elérésében is.
Egy adott modell működése rendkívül egyszerű. A kapcsoló egyszerű be- és kikapcsolása egyidejűleg megváltoztatja az áramerősséget a kimeneti terminálon. Más szavakkal, az egypólusú, kettős dobás kívánt frekvenciájú kapcsolása AC négyszöghullámokat generál egy tipikus inverter (pl. középső leágazó transzformátor) kimenetén. Egy tipikus szinuszhullám harmonikus torzítása körülbelül 45%, ami tovább csökkenthető, ha szűrőket használunk egyes harmonikusok kiszűrésére.
Kvázi szinuszos inverter
Kvázi szinuszos inverter, más néven módosított szinuszos inverter lépcsőzetes szinuszhullámokkal. Más szóval, ezeknek az invertereknek a kimenőjelei fokozatosan pozitív polaritásúak. A pozitív csúcs elérése után a kimeneti jel fokozatosan csökken, amíg el nem éri a negatív csúcsot, ahogy az ábrán látható.
A kvázi szinuszos inverter felépítése sokkal egyszerűbb, mint a tiszta szinuszos inverter, de bonyolultabb, mint a tiszta négyszöghullámú inverter.
Bár ezeknek az invertereknek a végső kimeneti hullámalakja nem tiszta szinuszhullám, a kimenet harmonikus torzítása így is 24%-ra csökken. A szűrés tovább csökkenti a torzítást, de a torzítás mértéke továbbra is jelentős. Emiatt ezek az inverterek nem a preferált választás különféle terhelések, köztük az elektronikus áramkörök meghajtására.
A kvázi szinuszhullámok tartósan károsíthatják az időzítőkkel rendelkező elektronikus eszközöket. Ha kvázi szinuszos inverterhez csatlakozik, akkor az összes motoros elektromos készülék nem működik olyan hatékonyan, mint a tiszta szinuszos inverterhez csatlakoztatott készülékek. Ezenkívül a gyors hullámforma-átmenetek zajt okozhatnak. Ezen problémák miatt a kvázi szinuszhullámú inverterek alkalmazása korlátozott.
Tiszta szinuszos inverter
A tiszta szinuszos inverter az egyenáramot szinte tiszta szinuszos váltakozó árammá alakítja. A tiszta szinuszos inverter kimeneti hullámformája még mindig nem ideális szinuszhullám, de sokkal simább, mint a négyszöghullámú és kvázi szinuszos inverterek.
A tiszta szinuszhullámú inverter kimeneti hullámformája rendkívül alacsony felharmonikusokkal rendelkezik. A harmonikusok olyan szinuszhullámok, amelyek különböző amplitúdójú alapfrekvenciájának páratlan többszörösei. A harmonikusok nagyon népszerűtlenek, mert komoly problémákat okozhatnak a különféle elektromos készülékeknél. Különféle PWM technikák alkalmazásával, majd a kimeneti jel aluláteresztő szűrőn való átengedésével ezek a harmonikusok tovább csökkenthetők.
A tiszta szinuszos inverterek felépítése és működése sokkal összetettebb, mint a négyszöghullámú és módosított négyszöghullámú inverterek.
Ezek az inverterek jobbak, mint az első két inverter, mivel a legtöbb elektromos berendezésnek tiszta szinuszhullámokra van szüksége a jobb működéshez. Mint korábban említettük, a négyszög- vagy kvázi szinuszhullámú inverterek károsíthatják az elektromos készülékeket, különösen a motorral felszerelteket. Ezért a gyakorlati használathoz tiszta szinuszos invertert használnak.
7. A kimeneti szintek száma szerint osztályozva
Bármely inverter kimeneti szintje lehet legalább kettő vagy több. A kimeneti szintek száma szerint az invertereket két kategóriába sorolják: kétszintű inverterek és többszintű inverterek.
Kétszintű inverter
A kétszintű inverternek két kimeneti szintje van. A kimeneti feszültség pozitív és negatív között váltakozik, és az alapfrekvencián (50 Hz vagy 60 Hz) váltakozik.
Egyes úgynevezett „kétszintű inverterek” kimeneti hullámformájukban három szint van. A háromszintű inverterek ebbe a kategóriába való besorolásának oka, hogy az egyik szint a nulla feszültség. Valójában a nulla a harmadik szint, de továbbra is kétfokozatú inverternek minősül.
A kétszintű inverter áramkör egy forrásból és néhány kapcsolóból áll, amelyek áramot vagy feszültséget vezérelnek. A kapcsolási veszteségek és az eszközök névleges értékeinek korlátai miatt a nagyfeszültségű alkalmazásokban a kétszintű inverterek nagyfrekvenciás működése korlátozott. A kapcsoló névleges értéke azonban növelhető soros és párhuzamos kombinációkkal. A kétszintű inverterben pozitív félciklust biztosító kapcsolócsoportot pozitív csoportkapcsolónak, míg a másik negatív félciklust biztosító kapcsolócsoportot negatív csoportkapcsolónak nevezzük.
A következő okok miatt a kétszintű inverter nem előnyös. Az invertereknek minimális számú kapcsolóra és áramforrásra van szükségük ahhoz, hogy működjenek és kis feszültséglépésekben alakítsák át a teljesítményt. Egy kisebb feszültséglépés jó minőségű hullámformákat biztosít. Ezenkívül csökkentheti a feszültség (dv/dt) feszültségét és az elektromágneses kompatibilitási problémákat a terhelésen. Ezért a többszintű inverterek a praktikusabb első választás.
Többszintű inverter (MLI)
A többszintű inverter az egyenáramú jeleket többszintű, lépcsős hullámformákká alakítja. A többszintű inverter kimeneti hullámformája nem közvetlenül pozitív és negatív váltakozó, hanem többszintű váltakozó. Annak a ténynek köszönhetően, hogy a hullámforma simasága egyenesen arányos a feszültségszintek számával. Ezért a többszintű inverterek simább hullámformákat produkálnak. Mint korábban említettük, ez a tulajdonság alkalmassá teszi a gyakorlati alkalmazásokhoz.
Következtetés:
Ez a cikk az inverterek 17 fő típusát mutatja be, de valójában az invertereknek sok más osztályozása is létezik. Például a többszintű invertereket repülő kondenzátoros inverterekre (FCMI), diódacsavaros inverterekre (DCMI) és kaszkádos H-híd inverterekre is fel lehet osztani.
Gyakorlati alkalmazási szempontból a háromfázisú inverterek alkalmasak nagy terhelésű alkalmazásokhoz, a tiszta szinuszos inverterek jobban védik az elektromos készülékeket, és a többszintű inverterek praktikusabbak.