Wprowadzenie do różnych typów falowników

Prądu przemiennego (AC) Zasilacz jest używany do prawie wszystkich mieszkalnych, handlowych i przemysłowych potrzeb. Ale największym problemem związanym z AC jest to, że nie można go przechowywać do przyszłego użytku. Tak więc prąd przemienny jest przekształcany w prąd stały, a następnie prąd stały jest przechowywany w bateriach i ultra-kondensatorach. A teraz, gdy potrzebny jest prąd przemienny, prąd stały jest ponownie przekształcany w prąd przemienny, aby uruchomić urządzenia oparte na prąd przemienny. Więc urządzenie, które przekształca prąd stały w prąd przemienny, nazywa się falownikiem. Falownik służy do konwersji prądu stałego na zmienny prąd przemienny. Ta zmiana może dotyczyć wielkości napięcia, liczby faz, częstotliwości lub różnicy faz.

Klasyfikacja falownika

Falownik można podzielić na wiele typów w zależności od mocy wyjściowej, źródła, rodzaju obciążenia itp. Poniżej znajduje się pełna klasyfikacja obwodów falownika:

(I) Zgodnie z charakterystyką wyjściową

1. Falownik prostokątny
2. Falownik sinusoidalny
3. Zmodyfikowany falownik sinusoidalny

(II) Według źródła falownika

1. Falownik źródła prądu
2. Falownik źródła napięcia

(III) Zgodnie z rodzajem obciążenia

1. Falownik jednofazowy
   1. Falownik półmostkowy
   2. Falownik z pełnym mostkiem
2. Falownik trójfazowy
   1. Tryb 180 stopni
   2. Tryb 120 stopni

(IV) Według różnych technik PWM

1. Prosta modulacja szerokości impulsu (SPWM)
2. Modulacja wielu szerokości impulsu (MPWM)
3. Sinusoidalna modulacja szerokości impulsu (SPWM)
4. Zmodyfikowana sinusoidalna modulacja szerokości impulsu (MSPWM)

(V) Zgodnie z liczbą poziomów wyjściowych

1. Zwykły falownik dwupoziomowy
2. Falownik wielopoziomowy

Teraz omówimy je wszystkie jeden po drugim. Tutaj możesz sprawdzić przykładowy projekt obwodu falownika 12 V DC do 220 V AC.

(I) Zgodnie z charakterystyką wyjściową

Zgodnie z charakterystyką wyjściową falownika, mogą istnieć trzy różne typy falowników.

• Falownik prostokątny
• Falownik sinusoidalny
• Zmodyfikowany falownik sinusoidalny

1) Falownik prostokątny

Przebieg wyjściowy napięcia dla tego falownika to przebieg prostokątny. Ten typ falownika jest najmniej używany spośród wszystkich innych typów falowników, ponieważ wszystkie urządzenia są zaprojektowane do zasilania falą sinusoidalną. Jeśli dostarczamy falę prostokątną do urządzenia opartego na fali sinusoidalnej, może ona ulec uszkodzeniu lub straty są bardzo duże. Koszt tego falownika jest bardzo niski, ale zastosowanie jest bardzo rzadkie. Może być stosowany w prostych narzędziach z uniwersalnym silnikiem.

2) Fala sinusoidalna

Przebieg wyjściowy napięcia jest sinusoidalny i daje nam bardzo zbliżoną moc wyjściową do zasilania. Jest to główna zaleta tego falownika, ponieważ wszystkie używane przez nas urządzenia są zaprojektowane na falę sinusoidalną. Jest to więc doskonała wydajność i daje gwarancję, że sprzęt będzie działał poprawnie. Ten typ falowników jest droższy, ale szeroko stosowany w zastosowaniach mieszkaniowych i komercyjnych.

3) Zmodyfikowana fala sinusoidalna

Konstrukcja tego typu falownika jest złożona niż zwykły falownik o przebiegu prostokątnym, ale łatwiejsza w porównaniu z falownikiem o przebiegu sinusoidalnym. Wyjście tego falownika nie jest ani czystą falą sinusoidalną, ani prostokątną. Wyjście takiego falownika to niektóre z dwóch fal prostokątnych. Przebieg wyjściowy nie jest dokładnie sinusoidą, ale przypomina kształt fali sinusoidalnej.

(II) W zależności od źródła falownika

• Falownik źródła napięcia
• Falownik źródła prądu

1) Falownik źródła prądu

W CSI wejście jest źródłem prądu. Ten typ falowników jest używany w zastosowaniach przemysłowych średniego napięcia, gdzie wymagane są wysokiej jakości przebiegi prądu. Ale CSI nie są popularne.

2) Falownik źródła napięcia

W VSI wejście jest źródłem napięcia. Ten typ falownika jest używany we wszystkich aplikacjach, ponieważ jest bardziej wydajny i ma wyższą niezawodność oraz szybszą odpowiedź dynamiczną. VSI może uruchamiać silniki bez obniżania wartości znamionowych.

(III) Zgodnie z rodzajem obciążenia

• Falownik jednofazowy
• Falownik trójfazowy

1) falownik jednofazowy

Ogólnie rzecz biorąc, obciążenie mieszkalne i komercyjne wykorzystuje moc jednofazową. Do tego typu aplikacji stosowany jest falownik jednofazowy. Falownik jednofazowy jest dalej podzielony na dwie części;

• Falownik jednofazowy półmostkowy
• Falownik jednofazowy z pełnym mostkiem

A) Falownik jednofazowy półmostkowy

Ten typ falownika składa się z dwóch tyrystorów i dwóch diod, a połączenie pokazano na poniższym rysunku.

W tym przypadku całkowite napięcie DC wynosi Vs i jest podzielone na dwie równe części Vs / 2. Czas na jeden cykl wynosi T sek.

Przez pół cyklu 0

Na drugą połowę cyklu T / 2

Vo = Vs / 2

Dzięki tej operacji możemy uzyskać przebieg napięcia przemiennego o częstotliwości 1 / T Hz i amplitudzie szczytowej Vs / 2. Przebieg wyjściowy to fala prostokątna. Przejdzie przez filtr i usunie niepożądane harmoniczne, które dają nam czysty przebieg sinusoidalny. Częstotliwość przebiegu może być kontrolowana przez czas załączenia (Ton) i czas wyłączenia (Toff) tyrystora.

Wartość napięcia wyjściowego wynosi połowę napięcia zasilania okresie użytkowania, i źródło 50%. Jest to wada falownika półmostkowego, a rozwiązaniem tego jest falownik mostkowy.

B) Jednofazowy falownik mostkowy

W tego typu falowniku zastosowano cztery tyrystory i cztery diody. Schemat obwodu jednofazowego pełnego mostka pokazano na poniższym rysunku.

Jednocześnie dwa tyrystory T1 i T2 przewodzą przez pierwszą połowę cyklu 0 <t <T / 2. W tym okresie napięcie obciążenia wynosi Vs, które jest podobne do napięcia zasilania DC.

W drugiej połowie cyklu T / 2 <t <T przewodzą dwa tyrystory T3 i T4. Napięcie obciążenia w tym okresie wynosi -Vs.

Tutaj możemy uzyskać napięcie wyjściowe AC takie samo jak napięcie zasilania DC, a współczynnik wykorzystania źródła wynosi 100%. Przebieg napięcia wyjściowego jest przebiegiem prostokątnym, a filtry służą do przekształcenia go w przebieg sinusoidalny.

Jeśli wszystkie tyrystory przewodzą w tym samym czasie lub w parze (T1 i T3) lub (T2 i T4), to nastąpi zwarcie źródła. Diody są podłączone w obwodzie jako dioda sprzężenia zwrotnego, ponieważ służy do sprzężenia zwrotnego energii ze źródłem prądu stałego.

Jeśli porównamy falownik z pełnym mostkiem i falownik z półmostkiem, dla danego obciążenia napięcia zasilania DC, napięcie wyjściowe jest dwa razy, a moc wyjściowa jest czterokrotnie większa w falowniku z pełnym mostkiem.

2) Trójfazowy falownik mostkowy

W przypadku obciążenia przemysłowego stosuje się trójfazowe zasilanie prądem przemiennym i do tego musimy zastosować trójfazowy falownik. W tego typu falowniku zastosowano sześć tyrystorów i sześć diod, które są połączone jak pokazano na poniższym rysunku.

Może pracować w dwóch trybach w zależności od stopnia impulsów bramki.

• Tryb 180 stopni
• Tryb 120 stopni

A) tryb 180 stopni

W tym trybie pracy, czas przewodzenia tyrystora wynosi 180 stopni. W dowolnym momencie trzy tyrystory (jeden tyrystor z każdej fazy) są w trybie przewodzenia. Kształt napięcia fazowego to trójstopniowe przebiegi, a kształt napięcia liniowego to przebieg quasi-prostokątny, jak pokazano na rysunku.

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
Stopień	60	120	180	240	300	360	60	120	180	240	300	360
Tyrystor przewodzi	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

W tej operacji przerwa czasowa pomiędzy komutacją wychodzącego tyrystora a przewodnictwem przychodzącego tyrystora wynosi zero. Możliwe jest więc jednoczesne przewodzenie przychodzącego i wychodzącego tyrystora. Skutkuje to zwarciem źródła. Aby uniknąć tej trudności, używany jest tryb 120 stopni.

B) tryb 120 stopni

W tej operacji jednocześnie przewodzą tylko dwa tyrystory. Jedna z faz tyrystora nie jest podłączona do zacisku dodatniego ani do zacisku ujemnego. Czas przewodzenia dla każdego tyrystora wynosi 120 stopni. Kształt napięcia sieciowego to przebieg trójstopniowy, a kształt napięcia fazowego to przebieg quasi-kwadratowy.

Faza A	T1		T4		T1		T4
Faza B.	T6		T3		T6		T3		T6
Faza C		T2		T5		T2		T5
stopień	60	120	180	240	300	360	60	120	180	240	300	360
Tyrystor przewodzi	1 6	2 1	3 2	3 4	4 5	6 5	1 6	2 1	3 2	3 4	4 5	5 6

Przebieg napięcia sieciowego, napięcia fazowego i impulsu bramki tyrystora jest taki, jak pokazano na powyższym rysunku.

W dowolnych przełącznikach energoelektronicznych występują dwa rodzaje strat; utrata przewodzenia i utrata przełączania. Strata przewodzenia oznacza utratę stanu włączenia przełącznika, a utrata przełączania oznacza utratę stanu wyłączenia przełącznika. Ogólnie strata przewodzenia jest większa niż strata przełączania w większości operacji.

Jeśli weźmiemy pod uwagę tryb 180 stopni dla jednej operacji 60 stopni, trzy przełączniki są otwarte, a trzy przełączniki są zamknięte. Oznacza, że ​​całkowita strata jest równa trzykrotności utraty przewodzenia plus trzykrotności utraty przełączania.

Całkowita strata w 180 stopniach = 3 (strata przewodności) + 3 (strata przy przełączaniu)

Jeśli weźmiemy pod uwagę tryb 120 stopni dla jednej operacji 60 stopni, dwa przełączniki są otwarte, a pozostałe cztery przełączniki są zamknięte. Oznacza, że ​​całkowita strata jest równa dwukrotności utraty przewodności plus czterokrotności straty przełączania.

Całkowita strata w 120 stopniach = 2 (strata przewodności) + 4 (strata przy przełączaniu)

(IV) Klasyfikacja zgodnie z techniką kontroli

• Modulacja szerokości pojedynczego impulsu (pojedynczy PWM)
• Modulacja wielu szerokości impulsu (MPWM)
• Sinusoidalna modulacja szerokości impulsu (SPWM)
• Zmodyfikowana sinusoidalna modulacja szerokości impulsu (MSPWM)

Na wyjściu falownika jest sygnał prostokątny i sygnał ten nie jest używany do obciążenia. Technika modulacji szerokości impulsu (PWM) służy do sterowania napięciem wyjściowym AC. Sterowanie to uzyskuje się poprzez kontrolę okresów załączenia i wyłączenia przełączników. W technice PWM używane są dwa sygnały; jeden to sygnał odniesienia, a drugi to trójkątny sygnał nośny. Impuls bramki dla przełączników jest generowany przez porównanie tych dwóch sygnałów. Istnieją różne rodzaje technik PWM.

1) Modulacja szerokości pojedynczego impulsu (pojedynczy PWM)

Na każde pół cyklu w tej technice sterowania dostępny jest jedyny impuls. Sygnałem odniesienia jest sygnał prostokątny, a sygnał nośny to sygnał trójkątny. Impuls bramki dla przełączników jest generowany przez porównanie sygnału odniesienia i sygnału nośnej. Częstotliwość napięcia wyjściowego jest kontrolowana przez częstotliwość sygnału odniesienia. Amplituda sygnału odniesienia to Ar, a amplituda sygnału nośnego to Ac, wówczas wskaźnik modulacji można zdefiniować jako Ar / Ac. Główną wadą tej techniki jest wysoka zawartość harmonicznych.

2) Modulacja wielu szerokości impulsu (MPWM)

Wadę techniki modulacji szerokości pojedynczego impulsu rozwiązuje wielokrotne PWM. W tej technice zamiast jednego impulsu stosuje się kilka impulsów w każdym półcyklu napięcia wyjściowego. Bramka jest generowana przez porównanie sygnału odniesienia i sygnału nośnej. Częstotliwość wyjściowa jest kontrolowana przez sterowanie częstotliwością sygnału nośnego. Indeks modulacji służy do sterowania napięciem wyjściowym.

Liczba impulsów na pół cyklu = fc / (2 * f0)

Gdzie fc = częstotliwość sygnału nośnego

f0 = częstotliwość sygnału wyjściowego

3) Sinusoidalna modulacja szerokości impulsu (SPWM)

Ta technika sterowania jest szeroko stosowana w zastosowaniach przemysłowych. W obu powyższych metodach sygnał odniesienia jest sygnałem prostokątnym. Ale w tej metodzie sygnał odniesienia jest sygnałem sinusoidalnym. Impuls bramki dla przełączników jest generowany przez porównanie sinusoidalnego sygnału odniesienia z trójkątną falą nośną. Szerokość każdego impulsu zmienia się wraz ze zmianami amplitudy fali sinusoidalnej. Częstotliwość przebiegu wyjściowego jest taka sama, jak częstotliwość sygnału odniesienia. Napięcie wyjściowe jest sinusoidą, a napięciem skutecznym można sterować za pomocą wskaźnika modulacji. Przebiegi pokazano na poniższym rysunku.

4) Zmodyfikowana sinusoidalna modulacja szerokości impulsu (MSPWM)

Ze względu na charakterystykę fali sinusoidalnej szerokość impulsu fali nie może być zmieniana wraz ze zmianą wskaźnika modulacji w technice SPWM. Z tego powodu wprowadzono technikę MSPWN. W tej technice sygnał nośny jest podawany podczas pierwszego i ostatniego 60-stopniowego interwału każdego półcyklu. W ten sposób poprawia się jego charakterystyka harmoniczna. Główną zaletą tej techniki jest zwiększona składowa podstawowa, zmniejszona liczba przełączanych urządzeń mocy i zmniejszone straty przełączania. Przebieg przedstawia poniższy rysunek.

(V) Zgodnie z liczbą poziomów na wyjściu

• Zwykły falownik dwupoziomowy
• Falownik wielopoziomowy

1) Zwykły falownik dwupoziomowy

Te falowniki mają tylko poziomy napięcia na wyjściu, które są dodatnim napięciem szczytowym i ujemnym napięciem szczytowym. Czasami posiadanie zerowego poziomu napięcia jest również znane jako falownik dwupoziomowy.

2) Wielopoziomowe falowniki

Te falowniki mogą mieć wiele poziomów napięcia na wyjściu. Falownik wielopoziomowy jest podzielony na cztery części.

- Falownik kondensatora latający

- Falownik mocowany diodą

- Falownik hybrydowy

- Falownik kaskadowy typu H.

Każdy falownik ma swój własny projekt działania, tutaj krótko omówiliśmy te falowniki, aby uzyskać podstawowe informacje na ich temat.