Invertteri (sähkötekniikka)

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 22. huhtikuuta 2020 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 14 muokkausta .

Invertteri on laite, joka muuntaa tasavirran vaihtovirraksi [ 1] jännitteen muutoksella . Yleensä se on jaksollinen jännitegeneraattori , joka on muodoltaan lähellä sinimuotoa , tai diskreetti signaali.

Jänniteinverttereitä voidaan käyttää erillisenä laitteena tai osana lähteitä ja järjestelmiä laitteiden keskeytymättömään virransyöttöön vaihtovirtasähköllä .

Invertterien ominaisuudet

Jänniteinvertterien avulla voidaan poistaa tai ainakin vähentää tietojärjestelmien riippuvuutta vaihtovirtaverkkojen laadusta. Esimerkiksi henkilökohtaisissa tietokoneissa äkillisen verkkovian sattuessa käyttämällä vara - akkua ja invertteriä, joka muodostaa keskeytymättömän virtalähteen (UPS), voit varmistaa, että tietokoneet toimivat ja suorittavat ratkaistut tehtävät oikein. Monimutkaisemmissa kriittisissä järjestelmissä invertterilaitteet voivat toimia pitkäkestoisesti ohjatussa tilassa verkon rinnalla tai siitä riippumatta.
"Riippumattomien" sovellusten lisäksi, joissa invertteri toimii AC-kuluttajien virtalähteenä, on laajalti kehitetty energian muunnosteknologioita, joissa invertteri on välilenkki muuntajien ketjussa. Tällaisissa sovelluksissa käytettävien jännitteenmuuttajien pääominaisuus on korkea muunnostaajuus (kymmeniä - satoja kilohertsejä). Tehokas energian muunnos korkealla taajuudella edellyttää kehittyneempää elementtipohjaa (puolijohdekytkimet, magneettiset materiaalit, erikoissäätimet).
Kuten minkä tahansa muun teholaitteen, invertterillä on oltava korkea hyötysuhde, korkea luotettavuus ja hyväksyttävät paino- ja kokoominaisuudet. Lisäksi siinä on oltava hyväksyttävä taso korkeampia harmonisia komponentteja lähtöjännitekäyrässä (sallittu harmonisten kertoimien arvo), eikä se saa luoda virtalähteen liittimiin aaltoilutasoa, jota muut kuluttajat eivät voi hyväksyä käytön aikana.
Verkkomittausjärjestelmät käyttävät invertteriä aurinkopaneeleista, tuulivoimaloista , vesivoimaloista ja muista vihreistä energialähteistä tulevan energian syöttämiseen julkiseen verkkoon.

Invertterin toiminta

Jännitteeninvertterin toiminta perustuu tasajännitelähteen kytkemiseen kuormitusnapojen jännitteen polariteetin ajoittain muuttamiseksi. Kytkentätaajuus asetetaan ohjauspiirin (ohjaimen) tuottamilla ohjaussignaaleilla. Ohjain voi myös suorittaa lisätehtäviä:

jännitteen säätely;
näppäinkytkentätaajuuden synkronointi ;
ylikuormitussuoja jne.

Toimintaperiaatteen mukaan invertterit jaetaan:

autonominen;
- jänniteinvertterit (AVI), esimerkkinä useimpien UPS-laitteiden invertterit;
- virtainvertterit (AIT), esimerkki on Neuvostoliiton lentokentän muuntaja APChS-63U1 [2] ;
- resonanssiinvertterit (AIR);
riippuvaiset verkon ohjaamat invertterit , esimerkkinä sähkövetureiden VL85 , EP1 jne. tehonmuunnin.

Invertterien teknisen toteutuksen menetelmät ja niiden työn ominaisuudet

Invertterinäppäimiä on ohjattava (päälle ja pois päältä ohjaussignaalilla), ja niillä on myös kaksisuuntaisen virran johtamisen ominaisuus [3] . Yleensä tällaiset kytkimet saadaan ohittamalla transistorit vapaakäyntidiodeilla. Poikkeuksena ovat kenttätransistorit, joissa tällainen diodi on niiden puolijohderakenteen sisäinen elementti.
Invertterien lähtöjännitteen säätö saavutetaan muuttamalla puoliaaltopulssin aluetta. Yksinkertaisin säätö saavutetaan säätämällä puoliaaltopulssin kestoa (leveyttä). Tämä menetelmä on yksinkertaisin versio pulssinleveysmodulaatiomenetelmästä (PWM).
Lähtöjännitteen puoliaaltojen symmetrian rikkominen synnyttää muunnossivutuotteita, joiden taajuus on perusarvon alapuolella, mukaan lukien mahdollisuus DC-jännitekomponenttiin, jota ei voida hyväksyä muuntajaa sisältäville piireille.
Invertterin ohjattujen toimintatapojen saamiseksi vaihtosuuntaajan näppäinten ja näppäinohjausalgoritmin on varmistettava johdonmukainen muutos tehopiirin rakenteissa, joita kutsutaan suoraksi, oikosulkuksi ja käänteiseksi.
Kuluttajan hetkellinen teho sykkii kaksinkertaisella taajuudella. Ensisijaisen virtalähteen on kyettävä käsittelemään sykkiviä ja jopa käänteisiä kulutusvirtoja. Ensiövirran muuttuvat komponentit määräävät häiriötason tehonsyöttöliittimissä. $p(t)$

Jänniteinvertterien tyypillisiä kaavioita

Vaihtoehtoja invertteripiirien rakentamiseen on suuri määrä. Historiallisesti ensimmäiset olivat mekaanisia invertterit, jotka puolijohdetekniikan kehityksen aikakaudella korvasivat enemmän puolijohdeelementteihin perustuvia teknologisia invertterit ja digitaaliset jänniteinvertterit. Mutta silti pääsääntöisesti on kolme pääjänniteinvertteripiiriä:

Bridge IN ilman muuntajaa

Soveltamisala: yli 500 VA :n tehoiset keskeytymättömät virransyöttölaitteet , korkeajännitearvoiset asennukset (220...360 V).

Nollalähtömuuntajalla

Soveltamisala: Keskeytymättömät virransyöttölaitteet tietokoneille teholla (250...500 VA), matalalla jännitteellä (12...24 V), jännitemuuntimet matkaviestintäjärjestelmiin.

Siltapiiri muuntajalla

Soveltamisala: Vastuullisen kuluttajan keskeytymättömät virransyöttölaitteet, joiden kapasiteetti on laaja: yksiköt - kymmeniä kVA [4] .

Invertterien rakentamisen periaate

Square Wave invertterit

Ensiölähteen tasajännitteen muuntaminen vaihtovirtalähteeksi saadaan aikaan käyttämällä kytkinryhmää, joka on jaksottaisesti kytketty siten, että kuormitusnapoihin saadaan vaihtojännite ja loisenergiapiirissä saadaan aikaan ohjattu kiertotila . Tällaisissa tiloissa lähtöjännitteen suhteellisuus taataan. Riippuen kytkentämoduulin (invertterin tehokytkinmoduulin) rakenteesta ja ohjaustoimintojen generointialgoritmista, tällainen tekijä voi olla kytkimien ohjauspulssien suhteellinen kesto tai kytkinten vastavaiheryhmien ohjaussignaalien vaihesiirto. Loisenergian ohjaamattomissa kiertomuodoissa kuluttajan reaktio kuorman reaktiivisten komponenttien kanssa vaikuttaa jännitteen muotoon ja sen lähtöarvoon [5] [6] .

Askeljänniteinvertterit

Tällaisen invertterin rakentamisen periaate on, että alustavan suurtaajuusmuunnoksen avulla muodostetaan unipolaariset askeljännitekäyrät, jotka lähestyvät muodoltaan unipolaarista sinimuotoista käyrää, jonka jakso on puolet invertterin lähtöjännitteen muutoksen jaksosta. Yksinapaiset askeljännitekäyrät muunnetaan sitten, yleensä siltainvertterillä, moninapaiseksi invertterin lähtöjännitekäyräksi.

Siniaaltoinvertterit

Tällaisen invertterin rakentamisen periaate on, että alustavan suurtaajuusmuunnoksen avulla saadaan tasajännite , jonka arvo on lähellä invertterin sinimuotoisen lähtöjännitteen amplitudiarvoa . Tämä tasajännite muunnetaan sitten pääsääntöisesti siltainvertterin avulla vaihtojännitteeksi, joka on lähellä sinimuotoista, soveltamalla asianmukaisia periaatteita tämän siltainvertterin transistorien ohjaamiseen (ns. " monipulssin periaatteet". leveysmodulaatio "). [7] [8] Tämän "usean" PWM :n ideana on, että invertterin lähtöjännitteen jokaisen puolijakson aikana siltainvertterin vastaava transistoripari kytketään korkealla taajuudella (toistuvasti) pulssinleveyden alaisena. ohjata. Lisäksi näiden suurtaajuisten kytkentäpulssien kesto vaihtelee sinimuotoisen lain mukaan. Sitten invertterin lähtöjännitteen sinimuotoinen komponentti erotetaan käyttämällä ylipäästöalipäästösuodatinta. [5] . Käytettäessä unipolaarista tasajännitelähdettä (tasot 0 ja U d ovat käytettävissä , missä U d on invertteriä syöttävä tasajännite), vaihejännitteen ensimmäisen harmonisen tehollinen arvo

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

Bipolaarista tasajännitelähdettä käytettäessä (tasot 0, -U d /2 ja U d /2 ovat käytettävissä), vaihejännitteen ensimmäisen harmonisen amplitudiarvo

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

vastaavasti efektiivinen arvo

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

Itseherättyvät jänniteinvertterit

Itsevirittyvät invertterit (oskillaattorit) ovat yksinkertaisimpia DC-energian muunnoslaitteita. Riittävän korkean energiatehokkuuden omaavien teknisten ratkaisujen suhteellinen yksinkertaisuus on johtanut niiden laajaan käyttöön teollisuusautomaatiojärjestelmien pienitehoisissa teholähteissä ja neliöaaltosignaalien tuottamisessa, erityisesti niissä sovelluksissa, joissa tehoa ei tarvitse ohjata. lähetysprosessi. Nämä invertterit käyttävät positiivista palautetta, mikä varmistaa niiden toiminnan stabiilien itsevärähtelyjen tilassa, ja transistorien kytkentä tapahtuu muuntajan magneettipiirin materiaalin kyllästymisen vuoksi. [9] [10] Transistorien kytkentämenetelmän yhteydessä, kyllästämällä muuntajan magneettisydämen materiaalia, on invertteripiireissä haittapuoli, nimittäin alhainen hyötysuhde , joka selittyy suurilla transistoreiden häviöillä. Siksi tällaisia inverttereitä käytetään enintään 10 kHz:n taajuuksilla ja 10 W:n lähtöteholla. Merkittävillä ylikuormituksilla ja oikosuluilla missä tahansa itseherätetyssä invertterissä itsevärähtelyt hajoavat (kaikki transistorit menevät suljettuun tilaan).

f

Yksivaiheiset invertterit

Invertteriryhmiä on useita:

Ensimmäinen ryhmä kalliimpia invertterit tarjoavat sinimuotoisen lähtöjännitteen .
Toinen ryhmä tarjoaa yksinkertaistetun lähtöjännitteen , joka korvaa siniaallon . Yleisimmin käytetty signaali on puolisuunnikkaan sinin muotoinen .

Suurimmassa osassa kodinkoneita ei ole sallittua käyttää vaihtojännitettä yksinkertaistetulla aaltomuodolla. Siniaalto on tärkeä laitteille, jotka sisältävät moottoreita/muuntajia ja joissakin tietoliikenne-, instrumentointi-, laboratorio-, lääketieteellisissä ja ammattikäyttöön tarkoitetuissa audiolaitteissa. Vaihtosuuntaajan valinta perustuu vakiojännitteen 220 V /50 Hz huipputehonkulutukseen .

Invertterillä on kolme toimintatilaa:

Pitkän toiminnan tila. Tämä tila vastaa invertterin nimellistehoa .
Ylikuormitustila. Tässä tilassa useimmat invertterimallit voivat tuottaa useita kymmeniä minuutteja (jopa 30) tehoa 1,2-1,5 kertaa enemmän kuin nimellisteho.
Käynnistystila. Tässä tilassa invertteri pystyy tuottamaan lisääntynyttä hetkellistä tehoa muutaman millisekunnin ajan moottoreiden ja kapasitiivisten kuormien käynnistämiseksi.

Useimmat invertterimallit voivat tuottaa muutamassa sekunnissa 1,5-2 kertaa nimellistehoa suuremman tehon . Voimakas lyhytaikainen ylikuormitus syntyy esimerkiksi jääkaapin päälle kytkemisen yhteydessä .

150 W invertteri riittää syöttämään lähes minkä tahansa kannettavan tietokoneen auton sisäisestä sähköverkosta. 7,5 wattia riittää matkapuhelimien, ääni- ja valokuvauslaitteiden virtalähteeseen ja lataamiseen.

Kolmivaiheiset invertterit

Kolmivaiheisia inverttereitä käytetään yleisesti kolmivaihevirran luomiseen sähkömoottoreille , esimerkiksi kolmivaiheisen oikosulkumoottorin tehostamiseksi . Tässä tapauksessa moottorin käämit on kytketty suoraan invertterin lähtöön.

Suuritehoisia kolmivaiheisia inverttereitä käytetään vetomuuntimissa veturien , moottorialusten , johdinautojen ( esim. AKSM-321 ), raitiovaunujen , valssaamojen , porauslaitteiden , induktorien sähkökäytössä (induktiolämmityslaitteistot [12] ) .

Kuvassa on kaavio Larionov -Star -kaavion mukaisesta tyristori- vetomuuntimesta . Teoreettisesti toisenlainen Larionovin "Larionov-kolmio" -piiri on myös mahdollinen, mutta sillä on muita ominaisuuksia (ekvivalentti sisäinen aktiivinen vastus, kuparihäviöt jne.).

Monitasoinvertterien sovellukset

Monitasoiset invertterit sisältävät joukon tehopuolijohteita ja kondensaattorin jännitelähteitä, joiden lähtö tuottaa askelaaltomuotojännitteitä. Kytkinkytkentä mahdollistaa kondensaattorijännitteiden lisäämisen, joilla saavutetaan korkeat lähtöjännitteet, kun taas tehopuolijohteiden tarvitsee käsitellä vain pienempiä jännitteitä. Oikeanpuoleisessa kuvassa on piirikaavio yhdestä vaihesegmentistä invertterit eri tasoilla, joissa puolijohteiden tehoa edustaa ihanteellinen kytkin useilla asennoilla.

Kaksitasoinen invertteri generoi lähtöjännitteen, jossa on kaksi arvoa (tasoa) suhteessa kondensaattorin negatiiviseen napaan [kuva. (a)], kun taas kolmitasoinen invertteri tuottaa kolme jännitettä ja niin edelleen.

Kuvittele, että m on vaihejänniteaskelmien lukumäärä suhteessa vaihtosuuntaajan negatiiviseen napaan, jolloin kahden kuormitusvaiheen välisten jännitteen vaiheiden lukumäärä on k ,

$k=2m+1$

ja vaiheiden lukumäärä p kytkennän kolmivaihekuorman vaihejännitteessä

$p=2k-1$

Monitasoisille inverttereille on olemassa kolme erilaista topologiaa: Diodilukittu (Neutral-Locked) ; kiinnitetty lauhduttimeen (asennetut lauhduttimet); ja peräkkäinen monielementti erillisillä tasavirtalähteillä. Lisäksi monitasoinverttereille on kehitetty tai otettu käyttöön useita modulaatio- ja ohjausstrategioita, mukaan lukien seuraavat: monitasoinen siniaaltomuodon modulaatio (PWM), monitasoinen selektiivinen harmonisten eliminointi ja avaruusvektorimodulaatio (SVM) .

Monitasoinvertterien tärkeimmät positiiviset puolet ovat seuraavat:

1) Ne voivat tuottaa lähtöjännitteitä erittäin alhaisella säröllä ja pienemmällä dv/dt:llä.

2) Ne ottavat tulovirtaa erittäin alhaisella säröllä.

3) Ne tuottavat vähemmän yleisen tilan (CM) jännitteen, mikä vähentää moottorin laakereiden jännitystä. Lisäksi CM-jännitteet voidaan eliminoida käyttämällä kehittyneitä modulaatiotekniikoita.

4) Ne voivat toimia pienemmällä kytkentätaajuudella.

Kaskadoitujen monitasoinvertterien topologia

Tässä esitetyt erilaiset muuntajatopologiat perustuvat yksivaiheisten invertterien sarjakytkentään erillisillä tasavirtalähteillä. Oikeanpuoleisessa kuvassa on yhdeksäntasoisen invertterin yhden vaiheen syöttöpiiri, jossa on neljä kennoa kussakin vaiheessa. Tuloksena oleva vaihejännite syntetisoidaan lisäämällä eri osien synnyttämät jännitteet.

Jokainen yksivaiheinen täyssiltainvertteri tuottaa kolme lähtöjännitettä: + Vdc, 0 ja - Vdc. Tämä oli mahdollista kytkemällä kondensaattorit sarjaan vaihtovirtapuolen kanssa neljän virtakytkimen kautta. Tuloksena oleva AC-jännitelähtö heilahtelee -4 Vdc:stä 4 Vdc:hen yhdeksällä tasolla ja porrastettu aaltomuoto, joka on lähes sinimuotoinen, jopa ilman suodattimia.

Sähkömekaaniset invertterit

Katso myös

Muistiinpanot

↑ Luonnontieteellinen sanakirja. Sanasto.ru. (linkki alas) (linkki alas 14-06-2016 [2323 päivää] lähtien)
↑ TU 16-729.402-83. Kiinteä lentopaikan taajuusmuuttaja tyyppi APChS-63U1 (IVEG.435426.001TU) . Haettu 30. lokakuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 31. lokakuuta 2016. (määrätön)
↑ Jerrold Foutz. Hakkuriteholähteen suunnittelun opetusohjelma Johdanto (englanniksi) (linkki ei ole käytettävissä) . www.smpstech.com (9. joulukuuta 1998). Haettu 19. huhtikuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 6. huhtikuuta 2004.
↑ Andrei Nikitin, Oleg Starikov. SupIRBuck DC/DC-muuntimet hajautetuissa tehojärjestelmissä . Electronics News, nro 15 (2009). Haettu 19. huhtikuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 20. huhtikuuta 2017. (määrätön)
↑ 12 David Perreault . Tehoelektroniikka Huomautuksia . MIT Open Course Ware (2007). Haettu 19. huhtikuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 5. maaliskuuta 2016.
↑ Hakkuriteholähteet . Käyttöpäivä: 5. joulukuuta 2014. Arkistoitu alkuperäisestä 28. helmikuuta 2015. (määrätön)
↑ Pressman, Abraham I.; Billings, Keith & Morey, Taylor (2009), Switching Power Supply Design (kolmas painos), McGraw-Hill, ISBN 0-07-148272-5
↑ Rashid, Muhammad H. (2003), Tehoelektroniikka : piirit, laitteet ja sovellukset , Prentice Hall, ISBN 0-13-122815-3
↑ Basso, Christophe (2008), Hakkurivirtalähteet : SPICE-simulaatiot ja käytännön mallit , McGraw-Hill, ISBN 0-07-150858-9
↑ Erickson, Robert W. & Maksimovic, Dragan (2001), Fundamentals of Power Electronics (2. painos), ISBN 0-7923-7270-0
↑ Autojen jännitteenmuuntimet (3 osaa) . Haettu 25. huhtikuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 22. toukokuuta 2012. (määrätön)
↑ Induktiolämmitys (pääsemätön linkki) . Käyttöpäivä: 29. tammikuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 5. helmikuuta 2009. (määrätön)

Kirjallisuus

Bushuev V.M., Deminsky V.A., Zakharov L.F., Kozlyaev Yu.D., Kolkanov M.F. Laitteiden ja tietoliikennejärjestelmien virransyöttö. - M . : Hot line - Telecom, 2009. - 384 s. - ISBN 978-5-9912-0077-6 .
Kitaev V.E., Bokunyaev A.A., Kolkanov M.F. Virtalähde viestintälaitteille. - M . : Viestintä, 1975. - 328 s.
Irving M., Gottlieb. Virtalähteet. Invertterit, muuntimet, lineaariset ja kytkentävakaimet. = Teholähteet, kytkentäsäätimet, invertterit ja muuntimet. - 2. painos - M . : Postmarket, 2002. - 544 s. - ISBN 5-901095-05-7 .
Raymond Mack. Hakkurivirtalähteet. Teoreettinen suunnitteluperusta ja käytännön sovellusopas = Demystifying hakkuriteholähteitä. — M. : Dodeka-ΧΧΙ, 2008. — 272 s. - ISBN 978-5-94120-172-3 .
Ugryumov EP Evoluutiomallinnuksen teoria ja käytäntö. - 2. painos - Pietari. : BHV-Petersburg, 2005. - s. 800. - ISBN 5-94157-397-9 .
Veresov G.P. Kotitalouksien radioelektronisten laitteiden virtalähde . - M . : Radio ja viestintä, 1983. - 128 s. - 60 000 kappaletta. Arkistoitu 27. heinäkuuta 2009 Wayback Machinessa
Kostikov V.G. Parfenov E.M. Shakhnov V.A. Sähköisten välineiden virtalähteet. Piirit ja suunnittelu: Oppikirja lukioille. - 2. - M . : Hot line - Telecom, 2001. - 344 s. - 3000 kappaletta. — ISBN 5-93517-052-3 .