Inverter (elektroteknik)

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 22 april 2020; kontroller kräver 14 redigeringar .

En växelriktare är en anordning för att omvandla likström till växelström [1] med en spänningsändring . Vanligtvis är det en periodisk spänningsgenerator , nära en sinusform , eller en diskret signal.

Spänningsväxelriktare kan användas som en separat enhet eller vara en del av källor och system för avbrottsfri strömförsörjning av utrustning med AC elektrisk energi .

Egenskaper för växelriktare

Spänningsväxelriktare gör det möjligt att eliminera eller åtminstone minska informationssystemens beroende av kvaliteten på AC-nätverk. Till exempel, i persondatorer , i händelse av ett plötsligt nätverksfel, med hjälp av ett reservbatteri och en växelriktare som bildar en avbrottsfri strömförsörjning (UPS), kan du se till att datorerna fungerar för att korrekt slutföra de uppgifter som ska lösas. I mer komplexa kritiska system kan inverterenheter arbeta i ett långsiktigt styrt läge parallellt med nätverket eller oberoende av det.
Förutom "oberoende" applikationer, där växelriktaren fungerar som en strömkälla för växelströmskonsumenter, har energiomvandlingsteknologier utvecklats brett, där växelriktaren är en mellanled i kedjan av omvandlare. Den huvudsakliga egenskapen hos spänningsomriktare för sådana applikationer är den höga omvandlingsfrekvensen (tiotals till hundratals kilohertz). För effektiv energiomvandling vid hög frekvens krävs en mer avancerad elementbas (halvledarbrytare, magnetiska material, specialiserade styrenheter).
Liksom alla andra kraftenheter måste växelriktaren ha hög effektivitet, hög tillförlitlighet och acceptabla vikt- och storleksegenskaper. Dessutom måste den ha en acceptabel nivå av högre övertonskomponenter i utspänningskurvan (tillåtet värde på övertonskoefficienter) och inte skapa en rippelnivå vid strömkällans terminaler som är oacceptabel för andra konsumenter under drift.
Nätmätsystem använder en växelriktare för att mata energi från solpaneler, vindkraftverk, vattenkraftverk och andra gröna energikällor till det allmänna nätet.

Inverterdrift

Spänningsomriktarens funktion är baserad på att byta likspänningskällan för att periodiskt ändra polariteten på spänningen vid belastningsterminalerna. Omkopplingsfrekvensen ställs in av styrsignaler som genereras av styrkretsen (styrenheten). Styrenheten kan också utföra ytterligare uppgifter:

spänningsreglering;
synkronisering av nyckelväxlingsfrekvens ;
överbelastningsskydd etc.

Enligt driftsprincipen är växelriktare indelade i:

autonom;
- spänningsomriktare (AVI), ett exempel är växelriktarna för de flesta UPS:er;
- strömväxelriktare (AIT), ett exempel är den sovjetiska flygfältsomvandlaren APChS -63U1 [2] ;
- resonansväxelriktare (AIR);
beroende växelriktare som drivs av nätverket , ett exempel är effektomvandlaren för elektriska lok VL85 , EP1 , etc.

Metoder för teknisk implementering av växelriktare och funktioner i deras arbete

Växelriktarnycklarna måste styras (slå på och av med en styrsignal), och har även egenskapen tvåvägsströmledning [ 3] . Som regel erhålls sådana omkopplare genom att shunta transistorer med frihjulsdioder. Undantaget är fälteffekttransistorer, där en sådan diod är ett internt element i deras halvledarstruktur.
Regleringen av växelriktarnas utspänning uppnås genom att ändra området för halvvågspulsen. Den enklaste regleringen uppnås genom att reglera varaktigheten (bredden) av halvvågspulsen. Denna metod är den enklaste versionen av metoden för pulsbreddsmodulationssignaler (PWM).
Att bryta symmetrin för halvvågorna i utspänningen genererar omvandlingsbiprodukter med en frekvens under grundvärdet, inklusive möjligheten för en likspänningskomponent som är oacceptabel för kretsar som innehåller transformatorer.
För att erhålla kontrollerade driftlägen för växelriktaren måste växelriktarens nycklar och nyckelstyrningsalgoritmen säkerställa en konsekvent förändring i strömkretsens strukturer, kallad direkt, kortsluten och invers.
Konsumentens momentana kraft pulserar med dubbel frekvens. Den primära strömförsörjningen måste kunna hantera pulserande och till och med vända förbrukningsströmmar. Primärströmmens variabla komponenter bestämmer störningsnivån vid strömförsörjningsterminalerna. $p(t)$

Typiska scheman för spänningsomriktare

Det finns ett stort antal alternativ för att konstruera växelriktarkretsar. Historiskt sett var de första mekaniska växelriktare, som i en tid präglad av utvecklingen av halvledarteknik ersatte fler tekniska växelriktare baserade på halvledarelement och digitala spänningsomriktare. Men fortfarande, som regel, finns det tre huvudspänningsomvandlarkretsar:

Brygga IN utan transformator

Omfattning: avbrottsfri strömförsörjningsanordning med en effekt på mer än 500 VA , installationer med högspänningsvärde (220..360 V).

Med nollutgångstransformator

Omfattning: Avbrottsfri strömförsörjningsanordning för datorer med ström (250.. 500 VA), vid lågspänning (12..24 V), spänningsomvandlare för mobila radiokommunikationssystem.

Brokrets med transformator

Omfattning: Avbrottsfri strömförsörjningsanordningar för ansvarsfulla konsumenter med ett brett utbud av kapaciteter: enheter - tiotals kVA [4] .

Principen för att bygga växelriktare

Square Wave växelriktare

Omvandlingen av den primära källans likspänning till en alternerande uppnås med hjälp av en grupp av omkopplare som periodiskt kopplas på ett sådant sätt att en växelspänning erhålls vid belastningsterminalerna och ger ett kontrollerat cirkulationsläge i den reaktiva energikretsen . I sådana lägen är proportionaliteten hos utspänningen garanterad. Beroende på utformningen av omkopplingsmodulen (växelriktarströmbrytarmodul) och algoritmen för att generera styråtgärder, kan en sådan faktor vara den relativa varaktigheten av omkopplarstyrpulserna eller fasförskjutningen av styrsignalerna för motfasgrupper av omkopplare. I fallet med okontrollerade cirkulationssätt för reaktiv energi, påverkar konsumentens reaktion med belastningens reaktiva komponenter formen på spänningen och dess utgångsvärde [5] [6] .

Stegspänningsomvandlare

Principen för att konstruera en sådan växelriktare är att med hjälp av en preliminär högfrekvensomvandling bildas unipolära stegspänningskurvor som närmar sig en unipolär sinusformad kurva med en period lika med halva perioden av växelriktarens utspänningsändring. De unipolära stegspänningskurvorna omvandlas sedan, vanligtvis av en bryggväxelriktare, till en multipolär växelriktarutgångsspänningskurva.

Sinusvågsomriktare

Principen för att konstruera en sådan växelriktare är att med hjälp av en preliminär högfrekvensomvandling erhålls en DC-spänning , vars värde är nära amplitudvärdet för växelriktarens sinusformade utspänning. Denna DC-spänning omvandlas sedan, som regel, av en bryggväxelriktare till en växelspänning nära sinusform, genom att tillämpa lämpliga principer för att driva transistorerna i denna bryggväxelriktare (principerna för den så kallade " multipelpuls- breddmodulering "). [7] [8] Tanken med denna "multipel" PWM är att under varje halvcykel av växelriktarens utspänning växlas motsvarande par transistorer i bryggväxelriktaren med hög frekvens (upprepade gånger) under pulsbredd kontrollera. Dessutom varierar varaktigheten av dessa högfrekventa omkopplingspulser enligt en sinusform. Sedan, med hjälp av ett högpass lågpassfilter, extraheras den sinusformade komponenten av växelriktarens utspänning. [5] . Vid användning av en unipolär likspänningskälla (nivåerna 0 och Ud är tillgängliga , där Ud är likspänningen som försörjer växelriktaren), det effektiva värdet av den första övertonen av fasspänningen

U_{\rm {eff}}^{(1)}=0.45U_{\rm {d}}

Vid användning av en bipolär likspänningskälla (nivåerna 0, -U d /2 och U d /2 är tillgängliga), amplitudvärdet för den första övertonen av fasspänningen

U_{\rm {m}}^{(1)}=0,5U_{d}

det effektiva värdet

U_{\rm {eff}}^{(1)}=0.35U_{\rm {d}}

Självexciterade spänningsomvandlare

Självexciterade växelriktare (oscillatorer) är bland de enklaste enheterna för DC-energiomvandling. Den relativa enkelheten hos tekniska lösningar med en tillräckligt hög energieffektivitet har lett till att de används i strömförsörjning med låg effekt i industriella automationssystem och generering av fyrkantsvågsignaler, särskilt i de applikationer där det inte finns något behov av att styra effekten. överföringsprocessen. Dessa växelriktare använder positiv feedback, vilket säkerställer deras funktion i läget för stabila självsvängningar, och omkopplingen av transistorer utförs på grund av mättnaden av materialet i transformatorns magnetiska krets. [9] [10] I samband med metoden att byta transistorer, genom att mätta materialet i transformatorns magnetiska kärna, finns det en nackdel med inverterkretsar, nämligen låg verkningsgrad , vilket förklaras av stora förluster i transistorer. Därför används sådana växelriktare vid frekvenser som inte överstiger 10 kHz och uteffekt upp till 10 W. Med betydande överbelastningar och kortslutningar i lasten i någon av växelriktarna med självexcitering bryts självsvängningar (alla transistorer går in i stängt tillstånd).

f

Enfas växelriktare

Det finns flera grupper av växelriktare:

Den första gruppen av dyrare växelriktare ger en sinusformad utspänning .
Den andra gruppen ger en förenklad utspänning som ersätter sinusformen . Den vanligaste signalen är i form av en trapetsformad sinus .

För de allra flesta hushållsapparater är det inte tillåtet att använda en växelspänning med en förenklad vågform. Sinusvågen är viktig för apparater som innehåller motorer/transformatorer och viss telekommunikation, instrumentering, laboratorieutrustning, medicinsk och professionell ljudutrustning. Valet av växelriktare baseras på toppeffektförbrukningen för standardspänningen 220 V / 50 Hz .

Det finns tre lägen för inverterdrift:

Långtidsläge. Detta läge motsvarar växelriktarens märkeffekt .
Överbelastningsläge. I det här läget kan de flesta invertermodeller under flera tiotals minuter (upp till 30) leverera effekt 1,2-1,5 gånger mer än den nominella.
Startläge. I detta läge kan växelriktaren leverera ökad momentan effekt under några millisekunder för att starta motorer och kapacitiva belastningar.

Inom några sekunder kan de flesta invertermodeller leverera effekt 1,5-2 gånger högre än den nominella. En kraftig kortvarig överbelastning uppstår till exempel när du slår på kylskåpet .

En växelriktare på 150 W räcker för att driva nästan vilken bärbar dator som helst från bilens elnät ombord. 7,5 watt räcker för att driva och ladda mobiltelefoner, ljud- och fotoutrustning.

Trefas växelriktare

Trefas växelriktare används vanligtvis för att skapa trefasström för elmotorer , till exempel för att driva en trefasinduktionsmotor . I detta fall är motorlindningarna direkt anslutna till växelriktarens utgång.

Kraftfulla trefasväxelriktare används i dragomvandlare i elektrisk drivning av lokomotiv , motorfartyg , trolleybussar (till exempel AKSM-321 ), spårvagnar , valsverk , borriggar , i induktorer (induktionsvärmeinstallationer [12] ) .

Figuren visar ett diagram över en tyristortraktionsomvandlare enligt Larionov - Star-schemat . Teoretiskt är en annan typ av Larionovs "Larionov-triangel"-krets också möjlig, men den har andra egenskaper (motsvarande internt aktivt motstånd, förluster i koppar, etc.).

Tillämpningar av flernivåväxelriktare

Flernivåväxelriktare inkluderar en uppsättning effekthalvledare och kondensatorspänningskällor vars utgång genererar stegvågsspänningar. Switch switching tillåter tillägg av kondensatorspänningar som uppnår höga utspänningar medan effekthalvledarna bara behöver hantera lägre spänningar. Bilden till höger visar ett kretsschema för ett fassegment av växelriktare med ett annat antal nivåer, för vilka halvledarnas effekt representeras av en idealisk omkopplare med flera positioner.

En tvånivåomriktare genererar en utspänning med två värden (nivåer) i förhållande till kondensatorns negativa pol [Fig. (a)], medan en växelriktare med tre nivåer genererar tre spänningar, och så vidare.

Föreställ dig att m är antalet fasspänningssteg i förhållande till växelriktarens minuspol, då är antalet steg i spänningen mellan två belastningsfaser k ,

$k=2m+1$

och antalet steg p i fasspänningen för trefaslasten i anslutningen

$p=2k-1$

Det finns tre olika topologier för flernivåväxelriktare: Diod-Locked (Neutral-Locked) ; fixerad på kondensorn (monterade kondensorer); och kaskadkopplade multielement med separata likströmsförsörjningar. Dessutom har flera modulerings- och styrstrategier utvecklats eller använts för flernivåväxelriktare, inklusive följande: multilevel sinus waveform modulation (PWM), multilevel selektiv harmonisk eliminering och space vektormodulation (SVM) .

De viktigaste positiva aspekterna av multilevel-växelriktare är följande:

1) De kan generera utspänningar med extremt låg distorsion och lägre dv/dt.

2) De drar inström med mycket låg distorsion.

3) De genererar mindre common mode (CM) spänning, vilket minskar spänningen i motorlagren. Genom att använda sofistikerade moduleringstekniker kan dessutom CM-spänningar elimineras.

4) De kan arbeta med en lägre kopplingsfrekvens.

Topologi för kaskadkopplade flernivåväxelriktare

De olika omvandlartopologierna som presenteras här är baserade på seriekoppling av enfas växelriktare med separata DC-källor. Bilden till höger visar strömförsörjningskretsen för en fassektion av en nio-nivå växelriktare med fyra celler i varje fas. Den resulterande fasspänningen syntetiseras genom att addera de spänningar som genereras av de olika sektionerna.

Varje enfas helbryggomriktare genererar tre utspänningar: + Vdc, 0 och - Vdc. Detta möjliggjordes genom att ansluta kondensatorer i serie med växelströmssidan genom fyra strömbrytare. Den resulterande AC-spänningsutgången svänger från -4 Vdc till 4 Vdc med nio nivåer och en stegvis vågform som är nästan sinusformad, även utan filter.

Elektromekaniska växelriktare

Se även

Anteckningar

↑ Ordbok för naturvetenskap. Ordlista.ru. (länk ner) (länk nere sedan 2016-06-14 [2323 dagar])
↑ TU 16-729.402-83. Stationär flygplats frekvensomvandlare typ APChS-63U1 (IVEG.435426.001TU) . Hämtad 30 oktober 2016. Arkiverad från originalet 31 oktober 2016. (obestämd)
↑ Jerrold Foutz. Switching-Mode Power Supply Design Handledning Introduktion (engelska) (länk ej tillgänglig) . www.smpstech.com (9 december 1998). Hämtad 19 april 2017. Arkiverad från originalet 6 april 2004.
↑ Andrey Nikitin, Oleg Starikov. SupIRBuck DC/DC-omvandlare i distribuerade kraftsystem . Elektroniknyheter, nr 15 (2009). Hämtad 19 april 2017. Arkiverad från originalet 20 april 2017. (obestämd)
↑ 12 David Perreault . Power Electronics Notes . MIT Open Course Ware (2007). Hämtad 19 april 2017. Arkiverad från originalet 5 mars 2016.
↑ Växla strömförsörjning . Tillträdesdatum: 5 december 2014. Arkiverad från originalet 28 februari 2015. (obestämd)
↑ Pressman, Abraham I.; Billings, Keith & Morey, Taylor (2009), Switching Power Supply Design (tredje upplagan), McGraw-Hill, ISBN 0-07-148272-5
↑ Rashid, Muhammad H. (2003), Power Electronics: Circuits, Devices, and Applications , Prentice Hall, ISBN 0-13-122815-3
↑ Basso, Christophe (2008), Switch-Mode Power Supplies: SPICE Simulations and Practical Designs , McGraw-Hill, ISBN 0-07-150858-9
↑ Erickson, Robert W. & Maksimovic, Dragan (2001), Fundamentals of Power Electronics (andra upplagan), ISBN 0-7923-7270-0
↑ Spänningsomvandlare för fordon (3 delar) . Hämtad 25 april 2012. Arkiverad från originalet 22 maj 2012. (obestämd)
↑ Induktionsvärme (otillgänglig länk) . Datum för åtkomst: 29 januari 2009. Arkiverad från originalet den 5 februari 2009. (obestämd)

Litteratur

Bushuev V.M., Deminsky V.A., Zakharov L.F., Kozlyaev Yu.D., Kolkanov M.F. Strömförsörjning av enheter och telekommunikationssystem. - M . : Hotline - Telecom, 2009. - 384 sid. - ISBN 978-5-9912-0077-6 .
Kitaev V.E., Bokunyaev A.A., Kolkanov M.F. Strömförsörjning för kommunikationsenheter. - M . : Kommunikation, 1975. - 328 sid.
Irving M., Gottlieb. Kraftkällor. Växelriktare, omvandlare, linjära och switchande stabilisatorer. = Strömförsörjning, switchande regulatorer, växelriktare och omvandlare. - 2:a uppl. - M . : Postmarket, 2002. - 544 sid. - ISBN 5-901095-05-7 .
Raymond Mack. Byte av strömförsörjning. Teoretisk konstruktionsgrund och praktisk tillämpningsguide = Avmystifierande strömförsörjning. — M. : Dodeka-ΧΧΙ, 2008. — 272 sid. - ISBN 978-5-94120-172-3 .
Ugryumov EP Teori och praktik av evolutionär modellering. - 2:a uppl. - St Petersburg. : BHV-Petersburg, 2005. - S. 800. - ISBN 5-94157-397-9 .
Veresov G.P. Strömförsörjning av radio-elektronisk hushållsutrustning . - M . : Radio och kommunikation, 1983. - 128 sid. — 60 000 exemplar. Arkiverad 27 juli 2009 på Wayback Machine
Kostikov V.G. Parfenov E.M. Shakhnov V.A. Källor för strömförsörjning av elektroniska medel. Kretslopp och design: Lärobok för gymnasieskolor. - 2. - M . : Hotline - Telecom, 2001. - 344 sid. - 3000 exemplar. — ISBN 5-93517-052-3 .