Inverter (villamosmérnöki)

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2020. április 22-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 14 szerkesztést igényelnek .

Az inverter egy olyan eszköz, amely egyenáramot váltóárammá alakít [1 ] feszültségváltozással . Általában ez egy periodikus feszültséggenerátor , közel egy szinuszos alakhoz , vagy egy diszkrét jel.

A feszültséginverterek különálló eszközként használhatók, vagy részei lehetnek a berendezések váltóáramú elektromos energiával történő szünetmentes tápellátását biztosító forrásoknak és rendszereknek .

Az inverterek tulajdonságai

A feszültséginverterek lehetővé teszik az információs rendszerek váltóáramú hálózatok minőségétől való függőségének megszüntetését vagy legalább csökkentését. Például személyi számítógépeknél hirtelen hálózati hiba esetén egy tartalék akkumulátor és egy szünetmentes tápegységet (UPS) alkotó inverter segítségével biztosíthatja a számítógépek működését a megoldandó feladatok megfelelő végrehajtása érdekében. Bonyolultabb kritikus rendszerekben az inverteres készülékek a hálózattal párhuzamosan vagy attól függetlenül is működhetnek hosszú távú vezérelt üzemmódban.
A „független” alkalmazások mellett, ahol az inverter a váltakozó áramú fogyasztók áramforrásaként működik, széles körben fejlesztették ki az energiaátalakítási technológiákat, ahol az inverter egy köztes láncszem az átalakítók láncában. Az ilyen alkalmazásokhoz használt feszültséginverterek fő jellemzője a magas konverziós frekvencia (tíz-száz kilohertz). A hatékony, nagyfrekvenciás energiaátalakításhoz fejlettebb elembázis (félvezető kapcsolók, mágneses anyagok, speciális vezérlők) szükséges.
Mint minden más tápegységnek, az inverternek is nagy hatásfokkal, nagy megbízhatósággal és elfogadható súly- és méretjellemzőkkel kell rendelkeznie. Ezenkívül a kimeneti feszültséggörbe magasabb harmonikus összetevőinek elfogadható szintjével kell rendelkeznie (a harmonikus együtthatók megengedett értéke), és nem hozzon létre olyan hullámzási szintet az áramforrás kivezetésein, amely más fogyasztók számára elfogadhatatlan működés közben.
A hálózati mérőrendszerek invertert használnak a napelemekből, szélturbinákból, vízierőművekből és más zöld energiaforrásokból származó energia betáplálására a nyilvános hálózatba.

Inverter működés

A feszültséginverter működése az egyenáramú feszültségforrás átkapcsolásán alapul, a terhelési kapcsokon lévő feszültség polaritásának időszakos megváltoztatása érdekében. A kapcsolási frekvenciát a vezérlő áramkör (vezérlő) által generált vezérlőjelek állítják be. A vezérlő további feladatokat is végezhet:

feszültségszabályozás;
kulcs kapcsolási frekvencia szinkronizálás ;
túlterhelés elleni védelem stb.

A működési elv szerint az invertereket a következőkre osztják:

autonóm;
- feszültséginverterek (AVI), például a legtöbb UPS invertere;
- áramváltók (AIT), erre példa a szovjet repülőtéri átalakító APChS-63U1 [2] ;
- rezonáns inverterek (AIR);
hálózat által hajtott függő inverterek , példa erre a villamos mozdonyok teljesítményátalakítója VL85 , EP1 stb.

Az inverterek műszaki megvalósításának módszerei és munkájuk jellemzői

Az inverter kulcsainak vezérelhetőnek kell lenniük (vezérlőjellel kell be- és kikapcsolni), és rendelkezniük kell a kétirányú áramvezetés tulajdonságával is [3] . Általában az ilyen kapcsolókat a tranzisztorok szabadonfutó diódákkal történő tolatásával kapják. Kivételt képeznek a térhatású tranzisztorok, amelyekben egy ilyen dióda a félvezető szerkezetük belső eleme.
Az inverterek kimeneti feszültségének szabályozása a félhullám-impulzus területének megváltoztatásával történik. A legegyszerűbb szabályozás a félhullámimpulzus időtartamának (szélességének) szabályozásával érhető el. Ez a módszer az impulzusszélesség-modulációs (PWM) jelek módszerének legegyszerűbb változata.
A kimenő feszültség félhullámainak szimmetriájának megtörése alapfrekvenciájú konverziós melléktermékeket generál, beleértve a transzformátorokat tartalmazó áramköröknél elfogadhatatlan egyenfeszültség-komponens lehetőségét is.
Az inverter vezérelt üzemmódjainak eléréséhez az inverter billentyűinek és a kulcsvezérlési algoritmusnak biztosítania kell az áramkör struktúráinak következetes változását, amelyet direktnek, rövidre zártnak és inverznek neveznek.
A fogyasztó pillanatnyi teljesítménye kettős frekvencián pulzál. Az elsődleges tápegységnek képesnek kell lennie pulzáló, sőt fordított fogyasztású áramok kezelésére. A primer áram változó összetevői határozzák meg az interferencia szintjét a tápegység kapcsain. $p(t)$

A feszültséginverterek tipikus sémái

Az inverter áramkörök felépítésére számos lehetőség kínálkozik. Történelmileg az elsők a mechanikus inverterek voltak, amelyek a félvezető technológia fejlődésének korszakában inkább a félvezető elemekre épülő technológiai invertereket és a digitális feszültséginvertereket váltották fel. De mégis, általában három fő feszültséginverter áramkör létezik:

Transzformátor nélküli bekötés

Terjedelem: 500 VA - nál nagyobb teljesítményű szünetmentes tápegységek , nagyfeszültségű (220...360 V) telepítések.

Nulla kimenetű transzformátorral

Alkalmazási terület: Szünetmentes tápegységek számítógépekhez teljesítmény (250.. 500 VA), kisfeszültségű (12..24 V), feszültségátalakítók mobil rádiókommunikációs rendszerekhez.

Híd áramkör transzformátorral

Terjedelem: Szünetmentes tápegységek felelős fogyasztók számára, sokféle kapacitással: mértékegységek - több tíz kVA [4] .

Az inverterek építésének elve

Négyzethullámú inverterek

A primer forrás egyenfeszültségének váltakozó feszültséggé alakítása egy kapcsolócsoport segítségével történik, amelyeket időszakosan kapcsolnak oly módon, hogy váltakozó feszültséget kapjanak a terhelési kapcsokon, és szabályozott keringési módot biztosítsanak a meddőenergia- körben . Ilyen üzemmódokban a kimeneti feszültség arányossága garantált. A kapcsolómodul (inverteres teljesítménykapcsoló modul) kialakításától és a vezérlési műveletek generálására szolgáló algoritmustól függően ilyen tényező lehet a kapcsolóvezérlő impulzusok relatív időtartama vagy a kapcsolók ellenfázisú csoportjainak vezérlőjeleinek fáziseltolása. A meddőenergia szabályozatlan cirkulációja esetén a fogyasztó reakciója a terhelés meddő összetevőivel befolyásolja a feszültség alakját és kimeneti értékét [5] [6] .

Lépcsős feszültség inverterek

Az ilyen inverter megépítésének elve az, hogy egy előzetes nagyfrekvenciás átalakítás segítségével unipoláris lépcsős feszültséggörbék alakulnak ki, amelyek alakjában egy unipoláris szinuszos görbéhez közelítenek, amelynek periódusa megegyezik az inverter kimeneti feszültségváltozásának periódusával. Az egypólusú lépcsős feszültséggörbéket ezután, általában egy hídinverterrel, egy többpólusú inverter kimeneti feszültséggörbéjévé alakítják.

Szinuszos inverterek

Az ilyen inverter megépítésének elve az, hogy egy előzetes nagyfrekvenciás átalakítás segítségével egy egyenfeszültséget kapunk , amelynek értéke közel van az inverter szinuszos kimeneti feszültségének amplitúdójához . Ezt az egyenfeszültséget azután egy hídinverter rendszerint szinusz alakúhoz közeli váltakozó feszültséggé alakítja, a megfelelő elvek alkalmazásával ennek a hídinverternek a tranzisztorainak meghajtására (az ún. többszörös impulzus elvei). szélesség moduláció "). [7] [8] Ennek a „többszörös” PWM -nek az az ötlete, hogy az inverter kimeneti feszültségének minden félperiódusa alatt a hídinverter megfelelő tranzisztorpárja nagy frekvencián (ismétlődően) impulzusszélesség alatt kapcsol. ellenőrzés. Ezenkívül ezeknek a nagyfrekvenciás kapcsolóimpulzusoknak az időtartama egy szinuszos törvény szerint változik. Ezután egy felüláteresztő aluláteresztő szűrő segítségével kivonják az inverter kimeneti feszültségének szinuszos komponensét. [5] . Unipoláris DC feszültségforrás használata esetén (0 és U d szintek állnak rendelkezésre , ahol U d az invertert tápláló egyenfeszültség) a fázisfeszültség első harmonikusának effektív értéke

U_{\rm {eff}}^{(1)}=0,45U_{\rm {d}}

Bipoláris DC feszültségforrás használata esetén (0, -U d /2 és U d /2 szintek elérhetők) a fázisfeszültség első harmonikusának amplitúdóértéke

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

illetve az effektív érték

U_{\rm {eff}}^{(1)}=0,35U_{\rm {d}}

Öngerjesztő feszültséginverterek

Az öngerjesztő inverterek (oszcillátorok) a legegyszerűbb egyenáramú energiaátalakító eszközök közé tartoznak. A kellően magas energiahatékonyságú műszaki megoldások viszonylagos egyszerűsége miatt széles körben elterjedtek az ipari automatizálási rendszerek kis teljesítményű tápegységeiben és négyszögjelek előállításában, különösen azokban az alkalmazásokban, ahol nincs szükség a teljesítmény szabályozására. átviteli folyamat. Ezek az inverterek pozitív visszacsatolást használnak, amely biztosítja működésüket stabil önrezgések üzemmódjában, és a tranzisztorok kapcsolása a transzformátor mágneses áramkörének anyagának telítettsége miatt történik. [9] [10] A tranzisztorok kapcsolási módszerével kapcsolatban a transzformátor mágneses magjának anyagának telítésével az inverteres áramkörök hátránya, mégpedig az alacsony hatásfok , ami a tranzisztorok nagy veszteségeivel magyarázható. Ezért az ilyen invertereket 10 kHz-et meg nem haladó frekvencián és legfeljebb 10 W kimeneti teljesítményen használják. Jelentős túlterhelések és rövidzárlatok a terhelésben az öngerjesztésű inverterek bármelyikében az önrezgések megszakadnak (az összes tranzisztor zárt állapotba kerül).

f

Egyfázisú inverterek

Az invertereknek több csoportja van:

A drágább inverterek első csoportja szinuszos kimeneti feszültséget biztosít .
A második csoport egy egyszerűsített kimeneti feszültséget biztosít , amely helyettesíti a szinuszoidot . A leggyakrabban használt jel trapéz szinusz .

A háztartási készülékek túlnyomó többségénél nem megengedett az egyszerűsített hullámformájú váltakozó feszültség használata. A szinuszhullám fontos a motorokat/transzformátorokat tartalmazó készülékeknél, valamint egyes telekommunikációs, műszeres, laboratóriumi, orvosi és professzionális audioberendezéseknél. Az inverter kiválasztása a szabványos 220 V /50 Hz feszültség csúcsteljesítménye alapján történik .

Az inverter működésének három módja van:

Hosszú távú üzemmód. Ez az üzemmód az inverter névleges teljesítményének felel meg.
Túlterhelési mód. Ebben az üzemmódban a legtöbb invertermodell több tíz percig (legfeljebb 30-ig) a névlegesnél 1,2-1,5-szer nagyobb teljesítményt képes leadni.
Indítási mód. Ebben az üzemmódban az inverter néhány ezredmásodpercig megnövelt pillanatnyi teljesítményt képes leadni a motorok és a kapacitív terhelések elindításához.

A legtöbb inverteres modell néhány másodpercen belül a névlegesnél 1,5-2-szer nagyobb teljesítményt képes leadni. Erős, rövid távú túlterhelés lép fel, például a hűtőszekrény bekapcsolásakor .

Egy 150 W-os inverter szinte minden laptop számára elegendő az autó fedélzeti elektromos hálózatáról. 7,5 watt elegendő mobiltelefonok, audio- és fényképészeti berendezések tápellátására és töltésére.

Háromfázisú inverterek

A háromfázisú invertereket általában elektromos motorok háromfázisú áramának létrehozására használják , például egy háromfázisú indukciós motor táplálására . Ebben az esetben a motortekercsek közvetlenül az inverter kimenetére csatlakoznak.

A nagy teljesítményű háromfázisú invertereket vontatási átalakítókban használják mozdonyok , motorhajók , trolibuszok (például AKSM-321 ), villamosok , hengerművek , fúróberendezések elektromos meghajtásában , induktorokban (indukciós fűtőberendezések [12] ). .

Az ábra egy tirisztoros vontatási átalakító diagramját mutatja a Larionov -Star séma szerint . Elméletileg egy másik típusú Larionov-féle „Larionov-háromszög” áramkör is lehetséges, de más jellemzőkkel rendelkezik (egyenértékű belső aktív ellenállás, veszteségek rézben stb.).

Többszintű inverterek alkalmazásai

A többszintű inverterek teljesítmény félvezetőket és kondenzátor feszültségforrásokat tartalmaznak, amelyek kimenete lépcsős hullámforma feszültségeket generál. A kapcsolókapcsolás lehetővé teszi olyan kondenzátorfeszültségek hozzáadását, amelyek magas kimeneti feszültséget érnek el, míg a teljesítmény-félvezetőknek csak kisebb feszültségeket kell kezelniük. A jobb oldali ábra a különböző szintű inverterek egy fázisszegmensének kapcsolási rajzát mutatja, amelynél a félvezetők teljesítményét egy ideális, több állású kapcsoló képviseli.

A kétszintű inverter két értékkel (szinttel) hoz létre kimeneti feszültséget a kondenzátor negatív kivezetéséhez képest [ábra. (a)], míg egy háromszintű inverter három feszültséget állít elő, és így tovább.

Képzeljük el, hogy m az inverter negatív kivezetéséhez viszonyított fázisfeszültség lépések száma, akkor a két terhelési fázis közötti feszültséglépések száma k ,

$k=2m+1$

valamint a csatlakozásban lévő háromfázisú terhelés fázisfeszültségének p lépésszáma

$p=2k-1$

A többszintű inverterekhez három különböző topológia létezik: Diódazárás (semleges zárolás) ; a kondenzátorra rögzítve (szerelt kondenzátorok); és kaszkádos többelemes, különálló egyenáramú tápellátással. Ezen kívül számos modulációs és vezérlési stratégiát fejlesztettek ki vagy alkalmaztak többszintű inverterekhez, beleértve a következőket: többszintű szinuszos hullámforma moduláció (PWM), többszintű szelektív harmonikus elimináció és térvektor moduláció (SVM) .

A többszintű inverterek fő pozitívumai a következők:

1) Rendkívül alacsony torzítású és alacsonyabb dv/dt kimeneti feszültséget tudnak generálni.

2) Nagyon alacsony torzítással veszik fel a bemeneti áramot.

3) Ritkább üzemmódú (CM) feszültséget generálnak, így csökkentik a motor csapágyainak feszültségét. Ezenkívül kifinomult modulációs technikák alkalmazásával a CM feszültségek kiküszöbölhetők.

4) Alacsonyabb kapcsolási frekvencián is működhetnek.

A kaszkádos többszintű inverterek topológiája

Az itt bemutatott különböző átalakító topológiák az egyfázisú inverterek külön egyenáramú forrásokkal történő soros csatlakoztatásán alapulnak. A jobb oldali ábra egy kilencszintű inverter egy fázisszakaszának tápáramkörét mutatja, mindegyik fázisban négy cellával. A kapott fázisfeszültséget a különböző szakaszok által generált feszültségek összeadásával szintetizálják.

Minden egyfázisú teljes híd inverter három kimeneti feszültséget állít elő: + Vdc, 0 és - Vdc. Ezt úgy tették lehetővé, hogy a kondenzátorokat négy tápkapcsolón keresztül sorba kötötték a váltakozó áramú oldallal. Az így kapott váltóáramú feszültség -4 Vdc-ről 4 Vdc-re ingadozik kilenc fokozattal és szinte szinuszos fokozatos hullámformával, még szűrők nélkül is.

Elektromechanikus inverterek

Lásd még

Jegyzetek

↑ Természettudományi szótár. Glossary.ru. (link le) (link le 2016-06-14 [2323 nap] óta)
↑ TU 16-729.402-83. APChS-63U1 típusú helyhez kötött repülőtéri frekvenciaváltó (IVEG.435426.001TU) . Letöltve: 2016. október 30. Az eredetiből archiválva : 2016. október 31.. (határozatlan)
↑ Jerrold Foutz. A kapcsolóüzemű tápegység tervezésének bemutatója (angol) (a hivatkozás nem elérhető) . www.smpstech.com (1998. december 9.). Letöltve: 2017. április 19. Az eredetiből archiválva : 2004. április 6..
↑ Andrej Nyikityin, Oleg Starikov. SupIRBuck DC/DC átalakítók elosztott energiaellátó rendszerekben . Electronics News, 15. szám (2009). Letöltve: 2017. április 19. Az eredetiből archiválva : 2017. április 20.. (határozatlan)
↑ 12 David Perreault . Teljesítményelektronikai megjegyzések . MIT Open Course Ware (2007). Letöltve: 2017. április 19. Az eredetiből archiválva : 2016. március 5..
↑ Kapcsolóüzemű tápegységek . Hozzáférés dátuma: 2014. december 5. Az eredetiből archiválva : 2015. február 28. (határozatlan)
↑ Pressman, Ábrahám I.; Billings, Keith & Morey, Taylor (2009), Kapcsoló tápegység tervezése (harmadik kiadás), McGraw-Hill, ISBN 0-07-148272-5
↑ Rashid, Muhammad H. (2003), Power Electronics: áramkörök, eszközök és alkalmazások , Prentice Hall, ISBN 0-13-122815-3
↑ Basso, Christophe (2008), Kapcsolóüzemű tápegységek: SPICE-szimulációk és gyakorlati tervek , McGraw-Hill, ISBN 0-07-150858-9
↑ Erickson, Robert W. és Maksimovic, Dragan (2001), A teljesítményelektronika alapjai (második kiadás), ISBN 0-7923-7270-0
↑ Gépjárműipari feszültségátalakítók (3 részes) . Letöltve: 2012. április 25. Az eredetiből archiválva : 2012. május 22.. (határozatlan)
↑ Indukciós fűtés (elérhetetlen link) . Hozzáférés dátuma: 2009. január 29. Az eredetiből archiválva : 2009. február 5.. (határozatlan)

Irodalom

Busujev V.M., Deminszkij V.A., Zakharov L.F., Kozljajev Yu.D., Kolkanov M.F. Eszközök és távközlési rendszerek tápellátása. - M . : Forró vonal - Telecom, 2009. - 384 p. - ISBN 978-5-9912-0077-6 .
Kitaev V.E., Bokunyaev A.A., Kolkanov M.F. Kommunikációs eszközök tápellátása. - M . : Kommunikáció, 1975. - 328 p.
Irving M., Gottlieb. Áramforrások. Inverterek, konverterek, lineáris és kapcsolóstabilizátorok. = Tápegységek, kapcsolószabályozók, inverterek és átalakítók. - 2. kiadás - M . : Postapiac, 2002. - 544 p. - ISBN 5-901095-05-7 .
Raymond Mack. Kapcsoló tápegységek. Elméleti tervezési alap és gyakorlati alkalmazási útmutató = Demystifying kapcsolóüzemű tápegységek. — M. : Dodeka-ΧΧΙ, 2008. — 272 p. - ISBN 978-5-94120-172-3 .
Ugryumov EP Az evolúciós modellezés elmélete és gyakorlata. - 2. kiadás - Szentpétervár. : BHV-Petersburg, 2005. - P. 800. - ISBN 5-94157-397-9 .
Veresov G.P. Háztartási rádióelektronikai berendezések tápellátása . - M . : Rádió és kommunikáció, 1983. - 128 p. — 60.000 példány. Archiválva : 2009. július 27. a Wayback Machine -nél
Kosztikov V.G. Parfenov E.M. Shakhnov V.A. Elektronikus eszközök áramforrásai. Áramkör és tervezés: Tankönyv középiskolák számára. - 2. - M . : Forródrót - Telecom, 2001. - 344 p. - 3000 példányban. — ISBN 5-93517-052-3 .