Uvod v različne vrste pretvornikov

Izmenični tok (AC) napajanje se uporablja za skoraj vse stanovanjskih, poslovnih in industrijskih potreb. Toda največja težava AC je, da ga ni mogoče shraniti za prihodnjo uporabo. Tako se AC pretvori v enosmerni tok, nato pa se enosmerni tok shrani v baterije in ultra-kondenzatorje. In zdaj, kadar je potreben AC, se DC spet pretvori v AC za delovanje naprav, ki temeljijo na AC. Tako se naprava, ki pretvarja enosmerni tok v izmenični tok, imenuje pretvornik. Pretvornik se uporablja za pretvorbo enosmernega v spremenljivi izmenični tok. Ta sprememba je lahko v velikosti napetosti, številu faz, frekvenci ali fazni razliki.

Razvrstitev pretvornika

Pretvornik lahko razvrstimo v številne tipe glede na izhod, vir, vrsto obremenitve itd. Spodaj je celotna klasifikacija tokokrogov pretvornika:

(I) Glede na izhodno značilnost

1. Pretvornik kvadratnih valov
2. Pretvornik sinusnega vala
3. Spremenjen pretvornik sinusnih valov

(II) Glede na vir Inverter

1. Pretvornik trenutnega vira
2. Pretvornik napetostnega vira

(III) Glede na vrsto tovora

1. Enofazni pretvornik
   1. Pretvornik Half Bridge
   2. Pretvornik s polnim mostom
2. Trifazni pretvornik
   1. 180-stopinjski način
   2. 120-stopinjski način

(IV) Glede na različne tehnike PWM

1. Preprosta modulacija impulzne širine (SPWM)
2. Modulacija z več impulznimi širinami (MPWM)
3. Modulacija sinusne impulzne širine (SPWM)
4. Prilagojena sinusna modulacija impulzne širine (MSPWM)

(V) Glede na število izhodnih ravni

1. Redni dvostopenjski pretvornik
2. Večstopenjski pretvornik

Zdaj bomo razpravljali o vseh po vrsti. Vzorec 12v DC do 220v AC pretvornika lahko preverite tukaj.

(I) Glede na izhodno značilnost

Glede na izhodno značilnost pretvornika lahko obstajajo tri različne vrste pretvornikov.

• Pretvornik kvadratnih valov
• Pretvornik sinusnega vala
• Spremenjen pretvornik sinusnih valov

1) Pretvornik kvadratnih valov

Izhodna valovna oblika napetosti za ta pretvornik je kvadratni val. Ta vrsta pretvornika se najmanj uporablja med vsemi drugimi vrstami pretvornikov, ker so vse naprave zasnovane za napajanje s sinusnimi valovi. Če napajamo aparat s sinusnim valom kvadratnega vala, se lahko poškoduje ali pa so izgube zelo velike. Stroški tega pretvornika so zelo nizki, vendar je uporaba zelo redka. Uporablja se lahko v preprostih orodjih z univerzalnim motorjem.

2) Sinusni val

Izhodna valovna oblika napetosti je sinusni val in nam daje zelo podoben izhod kot oskrba z električno energijo. To je glavna prednost tega pretvornika, ker so vse naprave, ki jih uporabljamo, zasnovane za sinusni val. Torej, to je popoln izhod in zagotavlja, da bo oprema pravilno delovala. Ta vrsta pretvornikov je dražja, vendar se pogosto uporablja v stanovanjskih in komercialnih aplikacijah.

3) Spremenjen sinusni val

Konstrukcija te vrste pretvornika je zapletena kot preprost pretvornik s kvadratnimi valovi, vendar lažja v primerjavi s pretvornikom s čistim sinusnim valom. Izhod tega pretvornika ni niti sinusni niti kvadratni val. Izhod takega pretvornika je nekaj od dveh kvadratnih valov. Izhodna valovna oblika ni ravno sinusni val, ampak je podobna obliki sinusnega vala.

(II) Glede na vir pretvornika

• Pretvornik napetostnega vira
• Pretvornik trenutnega vira

1) Pretvornik trenutnega vira

V CSI je vhod trenutni vir. Ta vrsta pretvornikov se uporablja v srednjenapetostni industrijski uporabi, kjer so visokokakovostne tokovne valovne oblike obvezne. Vendar CSI niso priljubljeni.

2) Pretvornik napetostnega vira

V VSI je vhod vir napetosti. Ta vrsta pretvornika se uporablja v vseh aplikacijah, ker je učinkovitejša in ima večjo zanesljivost in hitrejši dinamični odziv. VSI lahko poganja motorje brez razvrednotenja.

(III) Glede na vrsto tovora

• Enofazni pretvornik
• Trifazni pretvornik

1) enofazni pretvornik

Na splošno stanovanjska in poslovna obremenitev uporablja enofazno moč. Za to vrsto uporabe se uporablja enofazni pretvornik. Enofazni pretvornik je nadalje razdeljen na dva dela;

• Enofazni polmostni pretvornik
• Enofazni polno mostni pretvornik

A) Enofazni pol mostni pretvornik

Ta vrsta pretvornika je sestavljena iz dveh tiristorjev in dveh diod, povezava pa je prikazana na spodnji sliki.

V tem primeru je skupna enosmerna napetost Vs in razdeljena na dva enaka dela Vs / 2. Čas enega cikla je T sek.

Za pol cikla 0

Za drugi polovični cikel T / 2

Vo = Vs / 2

S tem postopkom lahko dobimo izmenično napetostno valovno obliko s frekvenco 1 / T Hz in vršno amplitudo Vs / 2. Izhodna valovna oblika je kvadratni val. Prepuščen bo skozi filter in odstranil neželene harmonike, ki nam dajo čisto sinusno valovno obliko. Frekvenco valovne oblike lahko nadzorujete s časom vklopa (ton) in časom izklopa (Toff) tiristorja.

Velikost izhodne napetosti je polovica napajalne napetosti obdobju izkoriščenosti in vir je 50%. To je pomanjkljivost pol mostnega pretvornika in rešitev tega je polno mostni pretvornik.

B) Enofazni polno mostni pretvornik

Pri tej vrsti pretvornika se uporabljajo štiristoristi in štiri diode. Shema vezja enofaznega polnega mostu je prikazana na spodnji sliki.

Hkrati vodita dva tiristorja T1 in T2 v prvem polovičnem ciklu 0 <t <T / 2. V tem obdobju je napetost obremenitve Vs, kar je podobno enosmerni napajalni napetosti.

Za drugi polkrog T / 2 <t <T vodita dva tiristorja T3 in T4. V tem obdobju je napetost obremenitve -Vs.

Tu lahko dobimo AC izhodno napetost enako kot enosmerna napajalna napetost in faktor izkoriščenosti vira je 100%. Valovna oblika izhodne napetosti je kvadratna in s pomočjo filtrov se pretvori v sinusni val.

Če vsi tiristorji delujejo hkrati ali v paru (T1 in T3) ali (T2 in T4), bo vir kratek. Diode so v vezju povezane kot povratna dioda, ker se uporablja za povratne informacije o energiji na enosmerni vir.

Če primerjamo polno mostni pretvornik s pretvornikom s pol mostom, je za dano obremenitev enosmerne napetosti izhodna napetost dvakrat, izhodna moč pa štirikrat v polnem mostnem pretvorniku.

2) Trifazni mostni pretvornik

V primeru industrijske obremenitve se uporablja trifazni napajalnik, za to pa moramo uporabiti trifazni pretvornik. Pri tej vrsti pretvornika se uporablja šest tiristorjev in šest diod, ki so povezani, kot je prikazano na spodnji sliki.

Deluje lahko v dveh načinih glede na stopnjo impulzov vrat.

• 180-stopinjski način
• 120-stopinjski način

A) 180-stopinjski način

V tem načinu delovanja je prevodni čas za tiristor 180 stopinj. Kadar koli so trije tiristorji (po en tiristor iz vsake faze) v prevodnem načinu. Oblika fazne napetosti je tristopenjska valovna oblika, oblika linijske napetosti pa je kvazi kvadratni val, kot je prikazano na sliki.

Vab = Va0 - Vb0 Vbc = Vb0 - Vc0 Vca = Vc0 - Va0

Faza A	T1	T4	T1	T4
Faza B	T6	T3	T6	T3	T6
Faza C	T5	T2	T5	T2	T5
Stopnja	60	120	180	240	300	360	60	120	180	240	300	360
Tiristor vodi	1 5 6	6 1 2	1 2 3	2 3 4	3 4 5	4 5 6	1 5 6	6 1 2	1 2 3	2 3 4	3 4 5	4 5 6

Pri tej operaciji je časovna razlika med komutacijo odhajajočega tiristorja in prevodnostjo dohodnega tiristorja enaka nič. Torej je možno istočasno prevajanje dohodnega in odhajajočega tiristorja. Posledica je kratek stik vira. Da bi se izognili tej težavi, se uporablja 120-stopinjski način delovanja.

B) 120-stopinjski način

Pri tej operaciji naenkrat delujeta le dva tiristorja. Ena od faz tiristorja ni povezana niti s pozitivnim priključkom niti z negativnim priključkom. Prevodni čas za vsak tiristor je 120 stopinj. Oblika linijske napetosti je tristopenjska valovna oblika, oblika fazne napetosti pa je kvazi kvadratna valovna oblika.

Faza A	T1		T4		T1		T4
Faza B	T6		T3		T6		T3		T6
Faza C		T2		T5		T2		T5
stopnjo	60	120	180	240	300	360	60	120	180	240	300	360
Tiristor vodi	1 6	2 1	3 2	3 4	4 5	6 5	1 6	2 1	3 2	3 4	4 5	5 6

Valovna oblika linijske napetosti, fazne napetosti in impulza vrat tiristorja je prikazana na zgornji sliki.

V vseh močnostnih elektronskih stikalih obstajata dve vrsti izgub; izguba prevodnosti in preklopna izguba. Izguba prevodnosti pomeni izgubo stanja ON v stikalu, izguba preklopa pa izgubo stanja OFF v stikalu. Na splošno je izguba prevodnosti v večini operacij večja od izgube pri preklopu.

Če upoštevamo 180-stopinjski način za eno 60-stopinjsko delovanje, so tri stikala odprta in tri stikala zaprta. Pomeni, da je skupna izguba enaka trikratni izgubi prevodnosti in trikratni preklopni izgubi.

Skupna izguba pri 180 stopinjah = 3 (izguba prevodnosti) + 3 (izguba pri preklopu)

Če upoštevamo 120-stopinjski način za eno 60-stopinjsko delovanje, sta dve stikali odprti, preostala štiri stikala pa zaprta. Pomeni, da je skupna izguba enaka dvakratni izgubi prevodnosti in štirikratni preklopni izgubi.

Skupna izguba pri 120 stopinjah = 2 (izguba prevodnosti) + 4 (izguba pri preklopu)

(IV) Razvrstitev glede na nadzorno tehniko

• Modulacija z eno impulzno širino (enojni PWM)
• Modulacija z več impulznimi širinami (MPWM)
• Modulacija sinusne impulzne širine (SPWM)
• Prilagojena modulacija sinusoidne impulzne širine (MSPWM)

Izhod pretvornika je kvadratni val in ta signal se ne uporablja za obremenitev. Tehnika modulacije impulzne širine (PWM) se uporablja za nadzor AC izhodne napetosti. To krmiljenje dobimo z nadzorom vklopa in izklopa stikal. V tehniki PWM se uporabljata dva signala; ena je referenčni signal, druga pa trikotni nosilni signal. Impulz vrat za stikala se ustvari s primerjavo teh dveh signalov. Obstajajo različne vrste tehnik PWM.

1) Modulacija z eno impulzno širino (enojni PWM)

Vsak pol cikel je v tej kontrolni tehniki na voljo edini impulz. Referenčni signal je kvadratni val, nosilec pa trikotni signal. Impulz vrat za stikala se generira s primerjavo referenčnega signala in nosilnega signala. Frekvenco izhodne napetosti nadzoruje frekvenca referenčnega signala. Amplituda referenčnega signala je Ar in amplituda nosilnega signala Ac, potem je indeks modulacije mogoče definirati kot Ar / Ac. Glavna pomanjkljivost te tehnike je visoka harmonska vsebnost.

2) Več impulzna širina modulacije (MPWM)

Pomanjkljivost tehnike modulacije z enim impulzom je rešena z več PWM. Pri tej tehniki se namesto enega impulza v vsakem polciklu izhodne napetosti uporablja več impulzov. Vrata se generirajo s primerjavo referenčnega in nosilnega signala. Izhodno frekvenco nadzorujemo z nadzorom frekvence nosilnega signala. Indeks modulacije se uporablja za nadzor izhodne napetosti.

Število impulzov na pol cikla = fc / (2 * f0)

Kjer je fc = frekvenca nosilnega signala

f0 = frekvenca izhodnega signala

3) Sinusoidna modulacija širine impulza (SPWM)

Ta nadzorna tehnika se pogosto uporablja v industrijskih aplikacijah. Pri obeh metodah je referenčni signal kvadratni val. Toda pri tej metodi je referenčni signal sinusni signal. Impulz vrat za stikala se ustvari s primerjavo referenčnega signala sinusnega vala s trikotnim nosilnim valom. Širina vsakega impulza se spreminja z različnimi amplitudami sinusnega vala. Frekvenca izhodne valovne oblike je enaka frekvenci referenčnega signala. Izhodna napetost je sinusni val, efektivno napetost pa lahko nadzorujemo z modulacijskim indeksom. Valovne oblike so prikazane na spodnji sliki.

4) Prilagojena modulacija sinusoidne impulzne širine (MSPWM)

Zaradi značilnosti sinusnega vala širine impulza vala ni mogoče spreminjati s spreminjanjem indeksa modulacije v tehniki SPWM. To je razlog, da je predstavljena tehnika MSPWN. Pri tej tehniki se nosilni signal uporabi med prvim in zadnjim 60-stopinjskim intervalom vsakega polovičnega cikla. Na ta način se izboljša njegova harmonična značilnost. Glavna prednost te tehnike je povečana temeljna komponenta, zmanjšano število stikalnih napajalnih naprav in zmanjšana preklopna izguba. Valovna oblika je prikazana na spodnji sliki.

(V) Glede na število ravni na izhodu

• Redni dvostopenjski pretvornik
• Večstopenjski pretvornik

1) Redni dvostopenjski pretvornik

Ti pretvorniki imajo na izhodu le napetost, ki je pozitivna in negativna vršna napetost. Včasih je ničelna napetost znana tudi kot dvostopenjski pretvornik.

2) večstopenjski pretvorniki

Ti pretvorniki imajo lahko na izhodu več nivojev napetosti. Večstopenjski pretvornik je razdeljen na štiri dele.

- Leteči kondenzator pretvornik

- Pretvornik z diodami

- Hibridni pretvornik

- Cascade pretvornik tipa H

Vsak pretvornik ima svojo zasnovo za delovanje, tukaj smo na kratko razložili te pretvornike, da dobimo osnovne ideje o njih.