Inverter (elektroteknik)

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 22. april 2020; checks kræver 14 redigeringer .

En inverter er en anordning til omdannelse af jævnstrøm til vekselstrøm [1] med en spændingsændring . Normalt er det en periodisk spændingsgenerator , tæt på en sinusformet form , eller et diskret signal.

Spændingsomformere kan bruges som en separat enhed eller være en del af kilder og systemer til uafbrydelig strømforsyning af udstyr med AC elektrisk energi .

Egenskaber for invertere

Spændingsinvertere gør det muligt at eliminere eller i det mindste reducere informationssystemers afhængighed af kvaliteten af AC-netværk. For eksempel kan du i personlige computere , i tilfælde af en pludselig netværksfejl, ved hjælp af et backup- batteri og en inverter, der danner en uafbrudt strømforsyning (UPS), sikre, at computerne arbejder for korrekt at udføre de opgaver, der løses. I mere komplekse kritiske systemer kan inverter-enheder fungere i en langsigtet styret tilstand parallelt med netværket eller uafhængigt af det.
Ud over "uafhængige" applikationer, hvor inverteren fungerer som strømkilde for AC-forbrugere, er der i vid udstrækning udviklet energikonverteringsteknologier, hvor inverteren er et mellemled i kæden af omformere. Hovedtræk ved spændingsomformere til sådanne applikationer er den høje konverteringsfrekvens (ti til hundredvis af kilohertz). For effektiv energiomdannelse ved høj frekvens kræves en mere avanceret elementbase (halvlederkontakter, magnetiske materialer, specialiserede controllere).
Som enhver anden strømenhed skal inverteren have høj effektivitet, høj pålidelighed og acceptable vægt- og størrelsesegenskaber. Derudover skal den have et acceptabelt niveau af højere harmoniske komponenter i udgangsspændingskurven (tilladt værdi af harmoniske koefficienter) og ikke skabe et rippelniveau ved strømkildens terminaler, som er uacceptabelt for andre forbrugere under drift.
Nettilsluttede netmålesystemer bruger en inverter til at tilføre energi fra solpaneler, vindmøller, vandkraftværker og andre grønne energikilder til det offentlige net.

Inverterdrift

Driften af spændingsomformeren er baseret på at skifte DC-spændingskilden for periodisk at ændre polariteten af spændingen ved belastningsterminalerne. Omskiftningsfrekvensen indstilles af styresignaler genereret af styrekredsløbet (controlleren). Controlleren kan også udføre yderligere opgaver:

spænding regulering;
synkronisering af nøgleskiftfrekvens ;
overbelastningssikring mv.

I henhold til driftsprincippet er invertere opdelt i:

autonom;
- spændingsomformere (AVI), et eksempel er inverterne på de fleste UPS'er;
- strøminvertere (AIT), et eksempel er den sovjetiske flyvepladskonverter APChS -63U1 [2] ;
- resonansinvertere (AIR);
afhængige invertere drevet af netværket , et eksempel er effektomformeren til elektriske lokomotiver VL85 , EP1 osv.

Metoder til teknisk implementering af invertere og funktioner i deres arbejde

Invertertasterne skal styres (tændes og slukkes af et styresignal), og har desuden egenskaben tovejs strømledning [3] . Som regel opnås sådanne kontakter ved at shunte transistorer med friløbsdioder. Undtagelsen er felteffekttransistorer, hvor en sådan diode er et internt element i deres halvlederstruktur.
Reguleringen af inverternes udgangsspænding opnås ved at ændre arealet af halvbølgeimpulsen. Den enkleste regulering opnås ved at regulere varigheden (bredden) af halvbølgeimpulsen. Denne metode er den enkleste version af metoden til pulsbreddemodulation (PWM) signaler.
Brydning af symmetrien af halvbølgerne af udgangsspændingen genererer konverteringsbiprodukter med en frekvens under grundværdien, herunder muligheden for en jævnspændingskomponent, der er uacceptabel for kredsløb, der indeholder transformere.
For at opnå kontrollerede driftstilstande for inverteren skal inverterens nøgler og nøglestyringsalgoritmen sikre en konsekvent ændring i strømkredsløbets strukturer, kaldet direkte, kortsluttet og omvendt.
Forbrugerens øjeblikkelige effekt pulserer med en dobbelt frekvens. Den primære strømforsyning skal være i stand til at håndtere pulserende og endda vende forbrugsstrømme. Primærstrømmens variable komponenter bestemmer interferensniveauet ved strømforsyningsterminalerne. $p(t)$

Typiske skemaer for spændingsomformere

Der er et stort antal muligheder for at konstruere inverterkredsløb. Historisk set var de første mekaniske invertere, som i æraen med udviklingen af halvlederteknologi erstattede mere teknologiske invertere baseret på halvlederelementer og digitale spændingsomformere. Men stadig er der som regel tre hovedspændingsomformerkredsløb:

Bro IN uden transformer

Anvendelsesområde: uafbrydelige strømforsyningsenheder med en effekt på mere end 500 VA , installationer med en højspændingsværdi (220..360 V).

Med nul output transformer

Anvendelsesområde: Uafbrydelig strømforsyning til computere med strøm (250.. 500 VA), ved lavspænding (12..24 V), spændingsomformere til mobile radiokommunikationssystemer.

Brokredsløb med transformer

Anvendelsesområde: Uafbrydelige strømforsyningsenheder til ansvarlige forbrugere med en bred vifte af kapaciteter: enheder - titusinder af kVA [4] .

Princippet om at bygge invertere

Square Wave invertere

Omdannelsen af den primære kildes jævnspænding til en vekselstrøm opnås ved hjælp af en gruppe af kontakter, der periodisk skiftes på en sådan måde, at der opnås en vekselspænding ved belastningsterminalerne og giver en kontrolleret cirkulationstilstand i det reaktive energikredsløb . I sådanne tilstande er proportionaliteten af udgangsspændingen garanteret. Afhængigt af designet af omskiftermodulet (inverterstrømafbrydermodul) og algoritmen til generering af styrehandlinger kan en sådan faktor være den relative varighed af omskifterstyreimpulserne eller faseforskydningen af styresignalerne for modfasegrupper af omskiftere. I tilfælde af ukontrollerede former for cirkulation af reaktiv energi, påvirker forbrugerens reaktion med belastningens reaktive komponenter formen af spændingen og dens udgangsværdi [5] [6] .

Trinspændingsomformere

Princippet for at konstruere en sådan inverter er, at der ved hjælp af en foreløbig højfrekvent konvertering dannes unipolære trinspændingskurver, der i form nærmer sig en unipolær sinusformet kurve med en periode svarende til halvdelen af perioden for inverterens udgangsspændingsændring. De unipolære trinspændingskurver konverteres derefter, sædvanligvis af en bro-inverter, til en multipolær inverter-udgangsspændingskurve.

Sinusbølge-invertere

Princippet for at konstruere en sådan inverter er, at der ved hjælp af en foreløbig højfrekvent konvertering opnås en DC-spænding , hvis værdi er tæt på amplitudeværdien af inverterens sinusformede udgangsspænding. Denne jævnspænding konverteres derefter som regel af en bro-inverter til en vekselspænding tæt på sinusformet, ved at anvende de passende principper til at drive transistorerne i denne bro-inverter (principperne for den såkaldte "multiple pulse- breddemodulation "). [7] [8] Ideen med denne "multiple" PWM er, at under hver halv-cyklus af inverterens udgangsspænding skiftes det tilsvarende par transistorer i broinverteren ved høj frekvens (gentagne gange) under pulsbredde styring. Desuden varierer varigheden af disse højfrekvente koblingsimpulser i henhold til en sinusformet lov. Derefter trækkes den sinusformede komponent af inverterens udgangsspænding ved hjælp af et højpas lavpasfilter. [5] . Ved brug af en unipolær jævnspændingskilde (niveauerne 0 og Ud er tilgængelige , hvor Ud er den jævnspænding, der forsyner omformeren), er den effektive værdi af den første harmoniske af fasespændingen

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

Ved brug af en bipolær jævnspændingskilde (niveauer 0, -U d /2 og U d /2 er tilgængelige), amplitudeværdien af den første harmoniske af fasespændingen

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

henholdsvis den effektive værdi

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

Selv-exciterede spændingsomformere

Selv-exciterede invertere (oscillatorer) er blandt de enkleste DC-energikonverteringsenheder. Den relative enkelhed af tekniske løsninger med en tilstrækkelig høj energieffektivitet har ført til deres udbredte anvendelse i laveffektstrømforsyninger i industrielle automatiseringssystemer og generering af firkantbølgesignaler, især i de applikationer, hvor der ikke er behov for at kontrollere strømmen transmissionsproces. Disse invertere bruger positiv feedback, som sikrer deres drift i tilstanden af stabile selvsvingninger, og omskiftningen af transistorer udføres på grund af mætning af materialet i transformatorens magnetiske kerne. [9] [10] I forbindelse med metoden til at skifte transistorer, ved at mætte materialet i transformatorens magnetiske kerne, er der en ulempe ved inverterkredsløb, nemlig lav effektivitet , som forklares med store tab i transistorer. Derfor bruges sådanne invertere ved frekvenser på ikke over 10 kHz og udgangseffekt op til 10 W. Med betydelige overbelastninger og kortslutninger i belastningen i en hvilken som helst af inverterne med selvexcitering, bryder selvsvingninger ned (alle transistorer går i lukket tilstand).

f

Enfasede invertere

Der er flere grupper af invertere:

Den første gruppe af dyrere invertere giver en sinusformet udgangsspænding .
Den anden gruppe giver en forenklet udgangsspænding , der erstatter sinusoiden . Det mest almindeligt anvendte signal er i form af en trapezformet sinus .

For langt de fleste husholdningsapparater er det ikke tilladt at bruge en vekselspænding med en forenklet bølgeform. Sinusbølgen er vigtig for apparater, der indeholder motorer/transformatorer og noget telekommunikations-, instrumenterings-, laboratorie-, medicinsk- og professionelt lydudstyr. Valget af inverter er baseret på det maksimale strømforbrug for standardspændingen 220 V /50 Hz .

Der er tre driftsformer for inverter:

Langløbstilstand. Denne tilstand svarer til inverterens nominelle effekt .
Overbelastningstilstand. I denne tilstand kan de fleste invertermodeller i flere ti minutter (op til 30) levere strøm 1,2-1,5 gange mere end den nominelle.
Starttilstand. I denne tilstand er inverteren i stand til at levere øget øjeblikkelig effekt i nogle få millisekunder for at starte motorer og kapacitive belastninger.

Inden for få sekunder kan de fleste invertermodeller levere strøm 1,5-2 gange højere end den nominelle. En stærk kortvarig overbelastning opstår for eksempel, når du tænder for køleskabet .

En 150 W inverter er nok til at drive næsten enhver bærbar computer fra bilens indbyggede elektriske netværk. 7,5 watt er nok til at drive og oplade mobiltelefoner, lyd- og fotoudstyr.

Trefasede invertere

Trefasede invertere bruges almindeligvis til at skabe trefaset strøm til elektriske motorer , for eksempel til at drive en trefaset induktionsmotor . I dette tilfælde er motorviklingerne direkte forbundet til vekselretterens udgang.

Trefasede invertere med høj effekt bruges i traktionskonvertere i det elektriske drev af lokomotiver , motorskibe , trolleybusser (for eksempel AKSM-321 ), sporvogne , valseværker , borerigge , i induktorer (induktionsvarmeinstallationer [12] ) .

Figuren viser et diagram over en tyristortraktionskonverter i henhold til Larionov -Star-skemaet . Teoretisk set er en anden slags Larionovs "Larionov-trekant"-kredsløb også mulig, men den har andre karakteristika (ækvivalent intern aktiv modstand, tab i kobber osv.).

Anvendelser af multilevel invertere

Multilevel invertere inkluderer en række effekthalvledere og kondensatorspændingskilder, hvis output genererer trinbølgeformspændinger. Switch switching muliggør tilføjelse af kondensatorspændinger, der opnår høje udgangsspændinger, mens effekthalvlederne kun skal håndtere lavere spændinger. Figuren til højre viser et kredsløbsdiagram af et fasesegment af invertere med et andet antal niveauer, for hvilke halvledernes effekt er repræsenteret af en ideel switch med flere positioner.

En to-niveau inverter genererer en udgangsspænding med to værdier (niveauer) i forhold til den negative terminal på kondensatoren [Fig. (a)], mens en tre-niveau inverter genererer tre spændinger, og så videre.

Forestil dig, at m er antallet af fasespændingstrin i forhold til inverterens negative terminal, så er antallet af trin i spænding mellem to belastningsfaser k ,

$k=2m+1$

og antallet af trin p i fasespændingen af den trefasede belastning i forbindelsen

$p=2k-1$

Der er tre forskellige topologier for multilevel invertere: Diode-Locked (Neutral-Locked) ; fastgjort på kondensatoren (monterede kondensatorer); og kaskadedelt multi-element med separate DC-forsyninger. Derudover er adskillige modulations- og kontrolstrategier blevet udviklet eller vedtaget til multilevel invertere, herunder følgende: multilevel sinus waveform modulation (PWM), multilevel selektiv harmonisk eliminering og rumvektormodulation (SVM) .

De vigtigste positive aspekter ved multilevel invertere er som følger:

1) De kan generere udgangsspændinger med ekstremt lav forvrængning og lavere dv/dt.

2) De trækker indgangsstrøm med meget lav forvrængning.

3) De genererer mindre common mode (CM) spænding, hvilket reducerer spændingen i motorlejerne. Ved at bruge sofistikerede moduleringsteknikker kan CM-spændinger desuden elimineres.

4) De kan fungere ved en lavere koblingsfrekvens.

Topologi af kaskadede multilevel invertere

De forskellige omformertopologier, der præsenteres her, er baseret på serieforbindelsen af enfasede invertere med separate DC-kilder. Figuren til højre viser strømforsyningskredsløbet for en fasesektion af en ni-niveau inverter med fire celler i hver fase. Den resulterende fasespænding syntetiseres ved at tilføje de spændinger, der genereres af de forskellige sektioner.

Hver enkeltfasede fuldbro-inverter genererer tre udgangsspændinger: + Vdc, 0 og - Vdc. Dette blev gjort muligt ved at forbinde kondensatorer i serie med AC-siden gennem fire strømafbrydere. Den resulterende AC-spændingsudgang svinger fra -4 Vdc til 4 Vdc med ni niveauer og en trinformet bølgeform, der er næsten sinusformet, selv uden filtre.

Elektromekaniske invertere

Se også

Noter

↑ Naturvidenskabernes ordbog. Ordliste.ru. (link ned) (link nede siden 14-06-2016 [2323 dage])
↑ TU 16-729.402-83. Stationær flyveplads frekvensomformer type APChS-63U1 (IVEG.435426.001TU) . Hentet 30. oktober 2016. Arkiveret fra originalen 31. oktober 2016. (ubestemt)
↑ Jerrold Foutz. Switching-Mode Power Supply Design Tutorial Introduktion (engelsk) (link ikke tilgængeligt) . www.smpstech.com (9. december 1998). Hentet 19. april 2017. Arkiveret fra originalen 6. april 2004.
↑ Andrey Nikitin, Oleg Starikov. SupIRBuck DC/DC-konvertere i distribuerede strømsystemer . Elektroniknyheder, nr. 15 (2009). Hentet 19. april 2017. Arkiveret fra originalen 20. april 2017. (ubestemt)
↑ 12 David Perreault . Power Electronics Notes . MIT Open Course Ware (2007). Hentet 19. april 2017. Arkiveret fra originalen 5. marts 2016.
↑ Switch Mode Power Supplies . Dato for adgang: 5. december 2014. Arkiveret fra originalen 28. februar 2015. (ubestemt)
↑ Pressman, Abraham I.; Billings, Keith & Morey, Taylor (2009), Switching Power Supply Design (tredje udgave), 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 (anden udgave), ISBN 0-7923-7270-0
↑ Spændingsomformere til biler (3 dele) . Hentet 25. april 2012. Arkiveret fra originalen 22. maj 2012. (ubestemt)
↑ Induktionsvarme (utilgængeligt link) . Dato for adgang: 29. januar 2009. Arkiveret fra originalen 5. februar 2009. (ubestemt)

Litteratur

Bushuev V.M., Deminsky V.A., Zakharov L.F., Kozlyaev Yu.D., Kolkanov M.F. Strømforsyning af enheder og telekommunikationssystemer. - M . : Hotline - Telecom, 2009. - 384 s. - ISBN 978-5-9912-0077-6 .
Kitaev V.E., Bokunyaev A.A., Kolkanov M.F. Strømforsyning til kommunikationsenheder. - M . : Kommunikation, 1975. - 328 s.
Irving M., Gottlieb. Strømkilder. Invertere, omformere, lineære og koblingsstabilisatorer. = Strømforsyninger, koblingsregulatorer, invertere og omformere. - 2. udg. - M . : Postmarket, 2002. - 544 s. - ISBN 5-901095-05-7 .
Raymond Mack. Skift af strømforsyninger. Teoretisk designgrundlag og praktisk anvendelsesvejledning = Afmystificerende skiftende strømforsyninger. — M. : Dodeka-ΧΧΙ, 2008. — 272 s. - ISBN 978-5-94120-172-3 .
Ugryumov EP Teori og praksis for evolutionær modellering. - 2. udg. - Sankt Petersborg. : BHV-Petersburg, 2005. - S. 800. - ISBN 5-94157-397-9 .
Veresov G.P. Strømforsyning til radio-elektronisk husholdningsudstyr . - M . : Radio og kommunikation, 1983. - 128 s. — 60.000 eksemplarer. Arkiveret 27. juli 2009 på Wayback Machine
Kostikov V.G. Parfenov E.M. Shakhnov V.A. Kilder til strømforsyning af elektroniske midler. Kredsløb og design: Lærebog for gymnasier. - 2. - M . : Hotline - Telecom, 2001. - 344 s. - 3000 eksemplarer. — ISBN 5-93517-052-3 .