Snu likeretterkretsen, koble den ene enden til likestrøm (DC), og den andre enden kan føre ut vekselstrøm (AC). Dette er en inverter, en enhet som konverterer likestrøm til vekselstrøm.
De fleste kommersielle, industrielle og boliglaster krever vekselstrøm, men vekselstrøm kan ikke lagres i batterier, og batterilagring er viktig for reservestrøm. I dag kan denne defekten overvinnes med en likestrømsforsyning.
Polariteten til likestrøm endres ikke over tid som vekselstrøm, så likestrøm kan lagres i batterier og superkondensatorer. Så vi kan først konvertere vekselstrøm til likestrøm, og deretter lagre den i batteriet. På denne måten, når vekselstrøm er nødvendig for å drive vekselstrømsapparater, vil likestrøm konverteres tilbake til vekselstrøm for å drive vekselstrømsapparater.
I henhold til inngangskilden, tilkoblingsmetoden, utgangsspenningsbølgeformen osv. for applikasjonen, er omformere delt inn i følgende 17 hovedkategorier.
1. Klassifiser etter inngangskilde
Inngangen til en omformer kan være en spenningskilde eller en strømkilde, så den er delt inn i spenningskildeinvertere (VSI) og strømkildeinvertere (CSI).
Spenningskildeomformer (VSI)
Når inngangen til omformeren er en konstant likespenningskilde, kalles omformeren en spenningskildeomformer.
Inngangen til spenningskildeomformeren har en stiv likespenningskilde med null impedans. Faktisk kan impedansen til en likespenningskilde ignoreres. Forutsatt at VSI drives av en ideell spenningskilde (ekstremt lav impedanskilde), er AC-utgangsspenningen helt bestemt av tilstanden til bryterenhetene i omformeren og den påførte DC-strømforsyningen.
Current Source Inverter (CSI)
Når inngangen til omformeren er en konstant likestrømkilde, kalles omformeren en strømkildeomformer.
Stiv strøm tilføres fra en likestrømkilde til CSI, hvor likestrømkilden har høy impedans. Vanligvis brukes store induktorer eller kontrollstrømmer med lukket sløyfe for å gi stive strømmer. Den resulterende strømbølgen er stiv og påvirkes ikke av belastningen. AC-utgangsstrømmen bestemmes fullstendig av koblingsenhetene i omformeren og tilstanden til den DC-tilførte strømforsyningen.
2. Klassifiser etter utgangsfase
I henhold til utgangsspenningen og strømfasen er omformere hovedsakelig delt inn i to kategorier: enfase- og trefase-omformere.
Enfase omformer
En enfaset omformer konverterer DC-inngang til enfaseutgang. Utgangsspenningen/strømmen til en enfaset omformer har bare én fase, og dens nominelle frekvens er den nominelle spenningen på 50Hz eller 60Hz.
Den nominelle spenningen er definert som spenningsnivået som det elektriske systemet fungerer på. Det er forskjellige nominelle spenninger, nemlig 120V, 220V, 440V, 690V, 3,3KV, 6,6KV, 11kV, 33kV, 66kV, 132kV, 220kV, 400kV og 765kV. Lav nominell spenning kan oppnås direkte ved bruk av interne transformatorer eller omformere med boost- og buck-kretser, mens for høy nominell spenning brukes eksterne boost-transformatorer.
Enfase-omformere brukes for lav belastning. Enfasetap er høyere, og enfaseeffektiviteten er lavere enn trefasevekselrettere. Derfor er trefase-omformere det foretrukne valget for høye belastninger.
Trefase inverter
En tre-fase omformer konverterer likestrøm til tre-fase strøm. En trefaset strømforsyning gir tre kanaler med vekselstrøm med jevnt adskilte fasevinkler. Amplituden og frekvensen til alle tre bølgene som genereres ved utgangsenden er den samme, men varierer litt på grunn av belastningen, og hver bølge har en faseforskyvning på 120 grader mellom hverandre.
I utgangspunktet består en enfaset omformer av tre enfasede omformere, hver med en faseavstand på 120 grader, og hver enfaseomformer er koblet til en av de tre lastterminalene.
3. Klassifisert etter kommuteringsteknologi
I henhold til kommuteringsteknologi kan den deles inn i to hovedtyper: linjekommutering og tvungen kommuteringsomformere. I tillegg kan det være hjelpekommuteringsomformere og komplementære kommuteringsvekselrettere, men da de ikke er vanlig i bruk, vil vi kort diskutere de to hovedtypene her.
Linjevending
I disse typene vekselrettere kan nettspenningen til AC-kretsen oppnås gjennom utstyr; Når strømmen i SCR opplever null karakteristikk, slås enheten av. Denne kommuteringsprosessen kalles linjekommutering, og vekselrettere som fungerer basert på dette prinsippet kalles linjekommuteringsinvertere.
Tvangspendling
Ved denne typen kommutering vil det ikke være noe nullpunkt i strømforsyningen. Det er derfor noen eksterne kilder er nødvendige for å rette opp enheten. Denne kommuteringsprosessen kalles tvungen kommutering, og vekselrettere basert på denne prosessen kalles tvungen kommuteringsomformere.
4. Klassifisert etter tilkoblingsmetode
I henhold til koblingsmetoden til tyristorer i kretsen, kan den deles inn i serieomformere, parallelle vekselrettere og broomformere, blant hvilke broomformere er videre delt inn i halvbro, full bro og trefasebro.
Serie inverter
En serieomformer består av et par tyristorer og RLC-kretser (motstand, induktans og kapasitans). En tyristor er koblet parallelt med RLC-kretsen, og en tyristor er koblet i serie mellom DC-strømforsyningen og RLC-kretsen. Denne typen vekselretter kalles en serieinverter fordi lasten er direkte koblet i serie med DC-strømkilden ved hjelp av tyristorer.
Serievekselrettere er også kjent som selvkommuterende vekselrettere fordi tyristorene til denne typen vekselrettere er selvkommuterte av belastningen. Et annet navn for denne vekselretteren er 'belastningskommuteringsinverter'. Grunnen til å gi dette navnet er at LCR er en last som gir kommutering.
Parallell inverter
En parallell inverter består av to tyristorer, en kondensator, en sentertapptransformator og en induktor. Tyristorer brukes til å gi en bane for strømflyt, mens induktorer brukes til å holde strømkilden konstant. Ledningen og avslåingen av disse tyristorene styres av kommutasjonskondensatorene som er koblet mellom dem.
Det kalles en parallell inverter fordi kondensatoren i drift er koblet parallelt med lasten gjennom en transformator.
Halvbro inverter
En halvbro-omformer krever to elektroniske brytere for å fungere. Brytere kan være MOSFET-er, IJBT-er, BJT-er eller tyristorer.En halvbro med tyristor- og BJT-brytere krever to ekstra dioder, bortsett fra rene resistive belastninger, mens MOSFET-er har innebygde dioder. Kort fortalt er to brytere tilstrekkelig for å møte rene resistive belastninger, mens andre belastninger (induktorer og kondensatorer) krever to ekstra dioder. Disse diodene kalles tilbakekoblingsdioder eller frihjulsdioder.
Arbeidsprinsippet for en halvbro-inverter er det samme for alle brytere, men her diskuterer vi en halvbro med tyristorbrytere. Det er to komplementære tyristorer, som betyr å lede en tyristor om gangen. For resistive belastninger fungerer kretsen i to moduser. Byttefrekvensen vil bestemme utgangsfrekvensen. Når utgangsfrekvensen er 50Hz, leder hver tyristor en gang i 20ms.
Full bro inverter
En enfaset fullbro-omformer har fire kontrollerte brytere som brukes til å kontrollere strømretningen i lasten. Denne broen har 4 tilbakemeldingsdioder som kan mate tilbake energien som er lagret i lasten til strømforsyningen. Disse tilbakemeldingsdiodene fungerer bare når alle tyristorer er slått av og belastningen ikke er en ren resistiv belastning.
For enhver belastning er det kun 2 tyristorer som fungerer om gangen. Tyristorene T1 og T2 vil lede i en syklus, mens T3 og T4 vil lede i en annen syklus. Med andre ord, når T1 og T2 er i PÅ-tilstand, er T3 og T4 i AV-tilstand, mens når T3 og T4 er i PÅ-tilstand, er de to andre i AV-tilstand. Åpning av to eller flere tyristorer på en gang kan forårsake kortslutning, generere overdreven varme og umiddelbart brenne ut kretsen.
Trefase broomformer
Industriell og andre tunge belastninger krever trefase strømforsyning. For å betjene disse tunge belastningene fra lagringsenheter eller andre likestrømkilder, kreves det en trefase-omformer. En trefaset broomformer kan brukes til dette formålet.
En trefaset broomformer er en annen type broomformer, bestående av 6 kontrollerte brytere og 6 dioder, som vist på figuren.
5. Klassifisert etter driftsmodus
I henhold til driftsmodus er omformere delt inn i tre hovedkategorier:
Uavhengig omformer
Den uavhengige omformeren er direkte koblet til lasten og vil ikke bli avbrutt av andre strømkilder. Uavhengig inverter eller "off grid mode inverter", omformeren leverer strøm til lasten uavhengig uten å bli påvirket av nettet eller andre strømkilder.
Disse inverterne kalles vekselrettere for off grid mode fordi de ikke påvirkes av forsyningsnettet. Disse omformerne kan ikke kobles til strømnettet fordi de ikke har synkroniseringsevne, der synkronisering er prosessen med å matche fasen og den nominelle frekvensen (50/60hz) til to vekselstrømkilder.
Nettkoblet omformer
Netttilkoblede eller netttilkoblede omformere (GTI) har to hovedfunksjoner. En funksjon til netttilkoblede omformere er å gi vekselstrøm fra lagringsenheter (DC-strømkilder) til AC-belastninger, mens en annen funksjon til netttilkoblede omformere er å gi ekstra strøm til nettet.
Netttilkoblede vekselrettere, også kjent som verktøyinteraktive vekselrettere, vekselrettere for nettsammenkoblinger eller vekselrettere for netttilbakemeldinger, synkroniserer frekvensen og fasen til strømmen for å tilpasse seg forsyningsnettet. Ved å øke spenningsnivået til omformeren, overføres strøm fra likestrømkilden til strømnettet.
Dual peak inverter
Dual peak omformeren kan fungere både som en nettkoblet omformer og en uavhengig omformer. Disse inverterne kan injisere ekstra energi fra fornybare energikilder og lagringsenheter inn i nettet, og hente strøm fra nettet når energien som genereres av fornybar energi er utilstrekkelig. Med andre ord kan disse vekselretterne fungere som uavhengige vekselrettere og nettkoblede vekselrettere i henhold til kravene til lasten. Dual peak omformere er multifunksjonelle, inkludert funksjonene til uavhengige omformere og netttilkoblede omformere.
Funksjonen til en dual peak inverter vil variere med belastningen. Hvis det er et problem med strømnettet eller når kraften til fornybar energi er tilstrekkelig til å møte belastningen, vil funksjonen endres til en uavhengig omformer (den blir en uavhengig omformer). I dette tilfellet vil overføringsbryteren koble omformeren fra nettet.
Når fornybar energi begynner å generere ekstra energi, vil driftsmodusen skifte fra uavhengig modus til netttilkoblet modus. Omformeren synkroniserer sin fase og frekvens med omformeren og begynner å injisere ekstra energi inn i nettet.
6. Klassifiser etter utgangsbølgeform
Den ideelle inverteren refererer til en inverter som konverterer DC-signaler til rene sinusformede AC-utganger. Problemet med faktiske omformere er at utgangssignalene deres ikke er rent sinusformede. I henhold til utgangsbølgeformen er omformere delt inn i tre kategorier:
Firkantbølge-omformer
Dette er de enkleste inverterne for å konvertere likestrøm til vekselstrøm, men utgangsbølgeformen er ikke den nødvendige rene sinusbølgen. Disse inverterne har firkantbølger ved utgangsenden. Disse inverterne konverterer med andre ord DC-inngang til AC i form av firkantbølger. I mellomtiden er firkantbølgeomformere også billigere.
Den enkleste strukturen til disse inverterne kan være en H-bro-inverter. Som vist i figuren kan man oppnå en enklere versjon ved å bruke SPDT (single push double throw) brytere før transformatoren. Denne transformatoren vil også bidra til å oppnå ønsket utgangsspenningsnivå.
Betjeningen av en gitt modell er ekstremt enkel. Bare å slå på og av bryteren vil samtidig endre strømmen ved utgangsterminalen. Med andre ord vil bytte av enkeltpolet dobbeltkast ved ønsket frekvens generere AC-firkantbølger ved utgangen til en typisk omformer (dvs. senteruttakstransformator). Den harmoniske forvrengningen til en typisk sinusbølge er omtrent 45 %, som kan reduseres ytterligere ved å bruke filtre for å filtrere ut noen harmoniske.
Kvasi sinusbølgeomformer
Kvasi sinusbølgeomformer, også kjent som modifisert sinusbølgeomformer med trinnvise sinusbølger. Med andre ord øker utgangssignalene til disse vekselretterne gradvis i positiv polaritet. Etter å ha nådd den positive toppen, avtar utgangssignalet gradvis til det når den negative toppen, som vist i figuren.
Strukturen til en kvasi sinusbølgeomformer er mye enklere enn en ren sinusbølgeomformer, men mer kompleks enn en ren firkantbølgeomformer.
Selv om den endelige utgangsbølgeformen til disse inverterne ikke er en ren sinusbølge, er den harmoniske forvrengningen av utgangen fortsatt redusert til 24 %. Filtrering vil redusere forvrengningen ytterligere, men mengden forvrengning er fortsatt betydelig. Av denne grunn er ikke disse inverterne det foretrukne valget for å drive ulike belastninger, inkludert elektroniske kretser.
Kvasisinusbølger kan permanent skade elektroniske enheter med timere i kretsen. Hvis koblet til en kvasi-sinusbølgeomformer, vil ikke alle elektriske apparater med motorer fungere like effektivt som de som er koblet til en ren sinusbølgeomformer. I tillegg kan raske bølgeformoverganger forårsake støy. På grunn av disse problemene er bruken av kvasi sinusbølgeomformere begrenset.
Ren sinusbølgeomformer
En ren sinus inverter konverterer DC til nesten ren sinus AC. Utgangsbølgeformen til en ren sinusbølgeomformer er fortsatt ikke en ideell sinusbølge, men den er mye jevnere enn firkantbølge- og kvasi-sinusbølgeomformere.
Utgangsbølgeformen til en ren sinusbølgeomformer har ekstremt lave harmoniske. Overtoner er sinusbølger med odde multipler av grunnfrekvensen til forskjellige amplituder. Overtoner er svært upopulære fordi de kan forårsake alvorlige problemer med ulike elektriske apparater. Ved å bruke ulike PWM-teknikker og deretter sende utgangssignalet gjennom et lavpassfilter, kan disse harmoniske reduseres ytterligere.
Konstruksjonen og driften av rene sinusbølgeomformere er mye mer komplisert enn firkantbølge- og modifiserte firkantbølgeomformere.
Disse inverterne er overlegne de to første omformerne fordi det meste av elektrisk utstyr krever rene sinusbølger for å fungere bedre. Som nevnt tidligere kan firkantbølge- eller kvasi-sinusbølgeomformere skade elektriske apparater, spesielt de som er utstyrt med motorer. Derfor, for praktisk bruk, brukes en ren sinus-omformer.
7. Klassifisert etter antall utgangsnivåer
Utgangsnivået til en hvilken som helst omformer kan være minst to eller flere. I henhold til antall utgangsnivåer er omformere delt inn i to kategorier: to-nivå omformere og multi-level omformere.
To-nivå omformer
En to-nivå omformer har to utgangsnivåer. Utgangsspenningen veksler mellom positiv og negativ, og veksler med grunnfrekvensen (50Hz eller 60Hz).
Noen såkalte 'to-nivå invertere' har tre nivåer i utgangsbølgeformen. Grunnen til å klassifisere tre-nivå omformere i denne kategorien er at ett av nivåene er null spenning. Egentlig er null det tredje nivået, men det er fortsatt klassifisert som en totrinns omformer.
En to-nivå omformerkrets består av en kilde og noen brytere som styrer strøm eller spenning. På grunn av begrensningene for brytertap og enhetsklassifiseringer, er høyfrekvent drift av to-nivå omformere i høyspenningsapplikasjoner begrenset. Imidlertid kan merkeverdien til bryteren økes gjennom serie- og parallellkombinasjoner. Gruppen av brytere som gir en positiv halvsyklus i en to-nivå omformer kalles en positiv gruppebryter, mens den andre gruppen av brytere som gir negativ halvsyklus kalles en negativ gruppebryter.
På grunn av følgende årsaker er en to-nivå omformer ikke foretrukket. Invertere krever minimum antall brytere og strømkilder for å drive og konvertere strøm i små spenningstrinn. Et mindre spenningstrinn vil gi høykvalitets bølgeformer. I tillegg kan det også redusere spenning (dv/dt) stress og problemer med elektromagnetisk kompatibilitet på lasten. Derfor er multi-level omformere det mer praktiske førstevalget.
Multi-level inverter (MLI)
En multi-level inverter konverterer DC-signaler til multi-level stepped bølgeformer. Utgangsbølgeformen til en multi-level inverter er ikke direkte positiv og negativ alternerende, men multi-level alternerende. På grunn av det faktum at glattheten til bølgeformen er direkte proporsjonal med antall spenningsnivåer. Derfor vil multi-level invertere produsere jevnere bølgeformer. Som nevnt tidligere, gjør denne egenskapen den egnet for praktiske bruksområder.
Konklusjon:
Denne artikkelen introduserer 17 hovedtyper av omformere, men faktisk er det mange andre klassifiseringer av omformere. For eksempel kan multi-level invertere også deles inn i flying capacitor inverters (FCMI), diode clamped inverters (DCMI) og cascaded H-bridge inverters.
Fra et praktisk bruksperspektiv er trefase-omformere egnet for høybelastningsapplikasjoner, rene sinus-omformere kan bedre beskytte elektriske apparater, og multi-level omformere er mer praktiske valg.