Odwróć obwód prostowniczy, podłącz jeden koniec do prądu stałego (DC), a drugi koniec może wyprowadzać prąd przemienny (AC). Jest to falownik, czyli urządzenie przetwarzające prąd stały na prąd przemienny.
Większość obciążeń komercyjnych, przemysłowych i mieszkaniowych wymaga zasilania prądem przemiennym, ale prądu przemiennego nie można przechowywać w bateriach, a przechowywanie akumulatorów jest ważne dla zasilania rezerwowego. Obecnie tę wadę można wyeliminować za pomocą zasilacza prądu stałego.
Biegunowość prądu stałego nie zmienia się w czasie, jak w przypadku prądu przemiennego, dlatego prąd stały można przechowywać w bateriach i superkondensatorach. Możemy więc najpierw przekształcić prąd przemienny w prąd stały, a następnie przechowywać go w akumulatorze. W ten sposób, gdy do zasilania urządzeń prądu przemiennego potrzebne będzie zasilanie prądem przemiennym, zasilanie prądem stałym zostanie ponownie zamienione na napięcie prądu przemiennego w celu obsługi urządzeń prądu przemiennego.
W zależności od źródła sygnału wejściowego, sposobu podłączenia, kształtu fali napięcia wyjściowego itp. falowniki dzielą się na 17 głównych kategorii.
1. Klasyfikuj według źródła wejściowego
Wejściem falownika może być źródło napięcia lub źródło prądu, dlatego dzieli się je na falowniki źródła napięcia (VSI) i falowniki źródła prądu (CSI).
Falownik źródła napięcia (VSI)
Jeżeli na wejściu falownika znajduje się źródło stałego napięcia prądu stałego, falownik nazywany jest falownikiem źródła napięcia.
Wejście falownika źródła napięcia ma sztywne źródło napięcia prądu stałego o zerowej impedancji. W rzeczywistości impedancję źródła napięcia stałego można zignorować. Zakładając, że VSI jest zasilany z idealnego źródła napięcia (źródło o wyjątkowo niskiej impedancji), napięcie wyjściowe prądu przemiennego jest całkowicie zdeterminowane stanem urządzeń przełączających w falowniku i zastosowanym zasilaniem DC.
Falownik źródła prądu (CSI)
Jeżeli na wejściu falownika znajduje się źródło prądu stałego, falownik nazywany jest falownikiem źródła prądu.
Prąd sztywny jest dostarczany ze źródła prądu stałego do CSI, gdzie źródło prądu stałego ma wysoką impedancję. Zwykle w celu zapewnienia sztywnych prądów stosuje się duże cewki indukcyjne lub prądy sterujące w pętli zamkniętej. Powstała fala prądu jest sztywna i nie ma na nią wpływu obciążenie. Prąd wyjściowy prądu przemiennego jest całkowicie zależny od urządzeń przełączających w falowniku i stanu zastosowanego zasilania prądem stałym.
2. Klasyfikuj według fazy wyjściowej
Według napięcia wyjściowego i fazy prądu falowniki dzielą się głównie na dwie kategorie: falowniki jednofazowe i falowniki trójfazowe.
Falownik jednofazowy
Falownik jednofazowy przekształca wejście prądu stałego na wyjście jednofazowe. Napięcie/prąd wyjściowy falownika jednofazowego ma tylko jedną fazę, a jego częstotliwość nominalna to napięcie nominalne 50 Hz lub 60 Hz.
Napięcie nominalne definiuje się jako poziom napięcia, przy którym działa układ elektryczny. Istnieją różne napięcia nominalne, a mianowicie 120 V, 220 V, 440 V, 690 V, 3,3 KV, 6,6 KV, 11 kV, 33 kV, 66 kV, 132 kV, 220 kV, 400 kV i 765 kV. Niskie napięcie nominalne można uzyskać bezpośrednio poprzez zastosowanie wewnętrznych transformatorów lub falowników z obwodami podwyższającymi i obniżającymi, natomiast w przypadku wysokiego napięcia nominalnego stosuje się zewnętrzne transformatory podwyższające.
Falowniki jednofazowe są stosowane przy małych obciążeniach. Straty jednofazowe są wyższe, a wydajność jednofazowa jest niższa niż w przypadku falowników trójfazowych. Dlatego w przypadku dużych obciążeń preferowanym wyborem są falowniki trójfazowe.
Falownik trójfazowy
Falownik trójfazowy przetwarza prąd stały na energię trójfazową. Zasilanie trójfazowe zapewnia trzy kanały zasilania prądem przemiennym z równomiernie oddzielonymi kątami fazowymi. Amplituda i częstotliwość wszystkich trzech fal generowanych na końcu wyjściowym są takie same, ale nieznacznie różnią się w zależności od obciążenia, a każda fala ma przesunięcie fazowe między sobą o 120 stopni.
Zasadniczo pojedynczy falownik trójfazowy składa się z trzech falowników jednofazowych, każdy o odległości fazowej 120 stopni, a każdy falownik jednofazowy jest podłączony do jednego z trzech zacisków obciążenia.
3. Klasyfikacja według technologii komutacyjnej
Według technologii komutacji można je podzielić na dwa główne typy: falowniki z komutacją liniową i falowniki z wymuszoną komutacją. Ponadto mogą istnieć pomocnicze falowniki komutacyjne i uzupełniające falowniki komutacyjne, ale ponieważ nie są one powszechnie stosowane, omówimy tutaj pokrótce dwa główne typy.
Odwrócenie linii
W tego typu falownikach napięcie sieciowe obwodu prądu przemiennego można uzyskać za pomocą sprzętu; Gdy prąd w SCR ma zerową charakterystykę, urządzenie zostaje wyłączone. Ten proces komutacji nazywany jest komutacją liniową, a falowniki działające w oparciu o tę zasadę nazywane są falownikami komutacyjnymi liniowymi.
Wymuszona komutacja
Przy tego typu komutacji nie będzie punktu zerowego w zasilaniu. Dlatego do naprawy urządzenia potrzebne są zewnętrzne źródła. Ten proces komutacji nazywany jest komutacją wymuszoną, a falowniki oparte na tym procesie nazywane są falownikami z wymuszoną komutacją.
4. Sklasyfikowane według metody połączenia
Zgodnie ze sposobem podłączenia tyrystorów w obwodzie można go podzielić na falowniki szeregowe, falowniki równoległe i falowniki mostkowe, wśród których falowniki mostkowe dzielą się dalej na półmostek, pełny mostek i mostek trójfazowy.
Falownik szeregowy
Falownik szeregowy składa się z pary tyrystorów i obwodów RLC (rezystancja, indukcyjność i pojemność). Jeden tyrystor jest połączony równolegle z obwodem RLC, a drugi tyrystor jest połączony szeregowo pomiędzy zasilaczem prądu stałego a obwodem RLC. Ten typ falownika nazywany jest falownikiem szeregowym, ponieważ obciążenie jest bezpośrednio połączone szeregowo ze źródłem prądu stałego za pomocą tyrystorów.
Falowniki szeregowe są również znane jako falowniki z samokomutacją, ponieważ tyrystory tego typu falownika są samokomutowane przez obciążenie. Inna nazwa tego falownika to „falownik komutujący obciążenie”. Powodem nadania tej nazwy jest to, że LCR jest obciążeniem zapewniającym komutację.
Falownik równoległy
Falownik równoległy składa się z dwóch tyrystorów, kondensatora, środkowego transformatora odczepowego i cewki indukcyjnej. Tyrystory służą do zapewnienia ścieżki przepływu prądu, natomiast cewki indukcyjne służą do utrzymywania stałego źródła prądu. Przewodzenie i wyłączanie tych tyrystorów jest kontrolowane przez podłączone między nimi kondensatory komutacyjne.
Nazywa się to falownikiem równoległym, ponieważ podczas pracy kondensator jest podłączony równolegle z obciążeniem przez transformator.
Falownik półmostkowy
Falownik półmostkowy wymaga do działania dwóch przełączników elektronicznych. Przełącznikami mogą być tranzystory MOSFET, IJBT, BJT lub tyrystory.Półmostek z przełącznikami tyrystorowymi i BJT wymaga dwóch dodatkowych diod, z wyjątkiem czysto rezystancyjnych obciążeń, podczas gdy MOSFETy mają wbudowane diody. Krótko mówiąc, dwa przełączniki wystarczą do obsługi czysto rezystancyjnych obciążeń, podczas gdy inne obciążenia (cewki i kondensatory) wymagają dwóch dodatkowych diod. Diody te nazywane są diodami sprzężenia zwrotnego lub diodami jednokierunkowymi.
Zasada działania falownika półmostkowego jest taka sama dla wszystkich przełączników, ale tutaj omawiamy półmostek z przełącznikami tyrystorowymi. Istnieją dwa uzupełniające się tyrystory, co oznacza prowadzenie jednego tyrystora na raz. W przypadku obciążeń rezystancyjnych obwód działa w dwóch trybach. Częstotliwość przełączania określi częstotliwość wyjściową. Gdy częstotliwość wyjściowa wynosi 50 Hz, każdy tyrystor przewodzi raz przez 20 ms.
Falownik z pełnym mostkiem
Jednofazowy falownik z pełnym mostkiem ma cztery sterowane przełączniki służące do sterowania kierunkiem przepływu prądu w obciążeniu. Mostek ten posiada 4 diody sprzężenia zwrotnego, które mogą zwrócić energię zmagazynowaną w obciążeniu do zasilacza. Te diody sprzężenia zwrotnego działają tylko wtedy, gdy wszystkie tyrystory są wyłączone, a obciążenie nie jest obciążeniem czysto rezystancyjnym.
Dla każdego obciążenia pracują jednocześnie tylko 2 tyrystory. Tyrystory T1 i T2 będą przewodziły w jednym cyklu, natomiast T3 i T4 będą przewodziły w innym cyklu. Innymi słowy, gdy T1 i T2 są w stanie WŁ., T3 i T4 są w stanie WYŁ., natomiast gdy T3 i T4 są w stanie WŁ., pozostałe dwa są w stanie WYŁ. Otwarcie dwóch lub więcej tyrystorów na raz może spowodować zwarcie, wygenerować nadmierne ciepło i natychmiastowe spalenie obwodu.
Falownik mostkowy trójfazowy
Obciążenia przemysłowe i inne duże obciążenia wymagają zasilania trójfazowego. Aby obsługiwać te duże obciążenia z urządzeń magazynujących lub innych źródeł prądu stałego, wymagany jest falownik trójfazowy. Można w tym celu zastosować trójfazowy falownik mostkowy.
Innym typem falownika mostkowego jest trójfazowy falownik mostkowy, składający się z 6 sterowanych przełączników i 6 diod, jak pokazano na rysunku.
5. Klasyfikacja według trybu pracy
W zależności od trybu pracy falowniki dzielą się na trzy główne kategorie:
Niezależny falownik
Niezależny falownik jest bezpośrednio podłączony do obciążenia i nie będzie zakłócany przez inne źródła zasilania. Niezależny falownik lub „inwerter w trybie off-grid” – falownik dostarcza energię do obciążenia niezależnie, bez wpływu sieci lub innych źródeł zasilania.
Falowniki te nazywane są falownikami pracującymi w trybie off-grid, ponieważ sieć elektroenergetyczna nie ma na nie wpływu. Falowników tych nie można podłączyć do sieci elektroenergetycznej, ponieważ nie mają możliwości synchronizacji, gdzie synchronizacja to proces dopasowywania fazy i częstotliwości nominalnej (50/60 Hz) dwóch źródeł prądu przemiennego.
Falownik podłączony do sieci
Falowniki podłączone do sieci lub falowniki podłączone do sieci (GTI) mają dwie główne funkcje. Jedną z funkcji inwerterów podłączonych do sieci jest dostarczanie prądu przemiennego z urządzeń magazynujących (źródeł prądu stałego) do odbiorników prądu przemiennego, podczas gdy inną funkcją inwerterów podłączonych do sieci jest dostarczanie dodatkowej mocy do sieci.
Falowniki podłączone do sieci, znane również jako interaktywne falowniki użyteczności publicznej, falowniki z połączeniem sieciowym lub falowniki ze sprzężeniem zwrotnym z siecią, synchronizują częstotliwość i fazę prądu w celu dostosowania do sieci elektroenergetycznej. Zwiększając poziom napięcia falownika, moc jest przesyłana ze źródła prądu stałego do sieci elektroenergetycznej.
Falownik z podwójnym szczytem
Falownik z podwójnym szczytem może działać zarówno jako falownik podłączony do sieci, jak i jako falownik niezależny. Falowniki te mogą wprowadzać do sieci dodatkową energię z odnawialnych źródeł energii i urządzeń magazynujących oraz pobierać energię z sieci, gdy energia wytworzona przez energię odnawialną jest niewystarczająca. Innymi słowy, falowniki te mogą pracować jako falowniki niezależne lub falowniki podłączone do sieci, zgodnie z wymaganiami obciążenia. Falowniki Dual Peak są wielofunkcyjne, obejmują funkcje niezależnych falowników i falowników podłączonych do sieci.
Funkcja falownika z podwójnym szczytem będzie się różnić w zależności od obciążenia. Jeżeli wystąpi problem z siecią energetyczną lub gdy moc energii odnawialnej będzie wystarczająca do obsługi obciążenia, jej funkcja zostanie zmieniona na niezależny falownik (stanie się niezależnym falownikiem). W takim przypadku przełącznik zasilania odłączy falownik od sieci.
Gdy energia odnawialna zacznie generować dodatkową energię, tryb pracy zmieni się z trybu niezależnego na tryb podłączenia do sieci. Falownik synchronizuje swoją fazę i częstotliwość z falownikiem i zaczyna wprowadzać dodatkową energię do sieci.
6. Klasyfikuj według kształtu fali wyjściowej
Idealny falownik odnosi się do falownika, który przetwarza sygnały prądu stałego na czyste sinusoidalne wyjścia prądu przemiennego. Problem z rzeczywistymi falownikami polega na tym, że ich sygnały wyjściowe nie są czysto sinusoidalne. Ze względu na przebieg wyjściowy falowniki dzielą się na trzy kategorie:
Falownik prostokątny
Są to najprostsze falowniki do przetwarzania prądu stałego na prąd przemienny, ale kształt fali wyjściowej nie jest wymaganą czystą falą sinusoidalną. Falowniki te mają na wyjściu fale prostokątne. Innymi słowy, falowniki te przekształcają wejściowy prąd stały na prąd przemienny w postaci fal prostokątnych. Tymczasem falowniki prostokątne są również tańsze.
Najprostszą konstrukcją tych falowników może być falownik z mostkiem H. Jak pokazano na rysunku, użycie przełączników SPDT (pojedynczego naciśnięcia i podwójnego rzutu) przed transformatorem pozwala uzyskać prostszą wersję. Transformator ten pomoże również osiągnąć dowolny pożądany poziom napięcia wyjściowego.
Obsługa danego modelu jest niezwykle prosta. Samo włączenie i wyłączenie przełącznika spowoduje jednocześnie zmianę prądu na zacisku wyjściowym. Innymi słowy, przełączenie podwójnego rzutu jednobiegunowego na żądaną częstotliwość spowoduje wygenerowanie fal prostokątnych prądu przemiennego na wyjściu typowego falownika (tj. środkowego transformatora odczepowego). Zniekształcenie harmoniczne typowej fali sinusoidalnej wynosi około 45% i można je dodatkowo zmniejszyć, stosując filtry odfiltrowujące niektóre harmoniczne.
Falownik quasi-sinusoidalny
Falownik quasi-sinusoidalny, znany również jako zmodyfikowany falownik sinusoidalny ze schodkowymi falami sinusoidalnymi. Innymi słowy, sygnały wyjściowe tych falowników stopniowo zwiększają swoją biegunowość dodatnią. Po osiągnięciu dodatniego szczytu sygnał wyjściowy stopniowo maleje, aż osiągnie ujemny szczyt, jak pokazano na rysunku.
Struktura falownika quasi-sinusoidalnego jest znacznie prostsza niż falownika o czystej fali sinusoidalnej, ale bardziej złożona niż falownik o czystej fali prostokątnej.
Chociaż końcowy przebieg wyjściowy tych falowników nie jest czystą falą sinusoidalną, zniekształcenia harmoniczne na wyjściu są nadal zmniejszone do 24%. Filtrowanie jeszcze bardziej zmniejszy zniekształcenia, ale ilość zniekształceń jest nadal znacząca. Z tego powodu falowniki te nie są preferowanym wyborem do sterowania różnymi obciążeniami, w tym obwodami elektronicznymi.
Fale quasi-sinusoidalne mogą trwale uszkodzić urządzenia elektroniczne posiadające timery w obwodzie. W przypadku podłączenia do falownika quasi-sinusoidalnego, wszystkie urządzenia elektryczne z silnikami nie będą działać tak wydajnie, jak te podłączone do falownika o czystej fali sinusoidalnej. Ponadto szybkie zmiany kształtu fali mogą powodować zakłócenia. Ze względu na te problemy zastosowanie falowników quasi-sinusoidalnych jest ograniczone.
Przetwornica czystej fali sinusoidalnej
Falownik sinusoidalny przetwarza prąd stały na prawie czysty sinusoidalny prąd przemienny. Kształt fali wyjściowej falownika o czystej fali sinusoidalnej nadal nie jest idealną falą sinusoidalną, ale jest znacznie gładszy niż w przypadku falowników o fali prostokątnej i quasi-sinusoidalnej.
Przebieg wyjściowy falownika o czystej fali sinusoidalnej charakteryzuje się wyjątkowo niskimi harmonicznymi. Harmoniczne to fale sinusoidalne o nieparzystych wielokrotnościach częstotliwości podstawowej o różnych amplitudach. Harmoniczne są bardzo niepopularne, ponieważ mogą powodować poważne problemy z różnymi urządzeniami elektrycznymi. Stosując różne techniki PWM, a następnie przepuszczając sygnał wyjściowy przez filtr dolnoprzepustowy, można jeszcze bardziej zredukować te harmoniczne.
Budowa i działanie falowników o czystej fali sinusoidalnej jest znacznie bardziej złożone niż falowników o fali prostokątnej i modyfikowanych falowników prostokątnych.
Falowniki te są lepsze od pierwszych dwóch falowników, ponieważ większość urządzeń elektrycznych wymaga do lepszego działania czystych fal sinusoidalnych. Jak wspomniano wcześniej, falowniki o fali prostokątnej lub quasi-sinusoidalnej mogą uszkodzić urządzenia elektryczne, zwłaszcza te wyposażone w silniki. Dlatego do praktycznego zastosowania stosuje się falownik sinusoidalny.
7. Klasyfikacja według liczby poziomów wyjściowych
Poziom wyjściowy dowolnego falownika może wynosić co najmniej dwa lub więcej. Ze względu na liczbę poziomów wyjściowych falowniki dzielą się na dwie kategorie: falowniki dwupoziomowe i falowniki wielopoziomowe.
Falownik dwupoziomowy
Falownik dwupoziomowy ma dwa poziomy wyjściowe. Napięcie wyjściowe zmienia się między dodatnim i ujemnym oraz naprzemiennie z częstotliwością podstawową (50 Hz lub 60 Hz).
Niektóre tak zwane „inwertery dwupoziomowe” mają trzy poziomy fali wyjściowej. Powodem zaklasyfikowania do tej kategorii falowników trójpoziomowych jest fakt, że na jednym z poziomów występuje napięcie zerowe. Właściwie zero to trzeci poziom, ale nadal jest klasyfikowany jako falownik dwustopniowy.
Dwupoziomowy obwód falownika składa się ze źródła i kilku przełączników kontrolujących prąd lub napięcie. Ze względu na ograniczenia strat przełączników i parametrów urządzeń, praca z wysoką częstotliwością falowników dwupoziomowych w zastosowaniach wysokiego napięcia jest ograniczona. Jednakże wartość znamionową przełącznika można zwiększyć poprzez kombinacje szeregowe i równoległe. Grupa przełączników zapewniających dodatni półcykl w falowniku dwupoziomowym nazywana jest przełącznikiem grupy dodatniej, natomiast druga grupa przełączników zapewniających półcykl ujemny nazywana jest przełącznikiem grupy ujemnej.
Z następujących powodów nie jest preferowany falownik dwupoziomowy. Falowniki wymagają minimalnej liczby przełączników i źródeł zasilania do obsługi i przetwarzania mocy w małych krokach napięcia. Mniejszy krok napięcia zapewni wysokiej jakości przebiegi. Ponadto może również zmniejszyć naprężenia napięciowe (dv/dt) i problemy z kompatybilnością elektromagnetyczną obciążenia. Dlatego falowniki wielopoziomowe są bardziej praktycznym pierwszym wyborem.
Falownik wielopoziomowy (MLI)
Falownik wielopoziomowy przetwarza sygnały prądu stałego na wielopoziomowe przebiegi schodkowe. Kształt fali wyjściowej falownika wielopoziomowego nie jest bezpośrednio naprzemienny dodatni i ujemny, ale naprzemienny wielopoziomowy. Z uwagi na to, że gładkość przebiegu jest wprost proporcjonalna do ilości poziomów napięcia. Dlatego falowniki wielopoziomowe będą wytwarzać gładsze przebiegi. Jak wspomniano wcześniej, ta cecha sprawia, że nadaje się do zastosowań praktycznych.
Wniosek:
W tym artykule przedstawiono 17 głównych typów falowników, ale w rzeczywistości istnieje wiele innych klasyfikacji falowników. Na przykład falowniki wielopoziomowe można również podzielić na falowniki z latającymi kondensatorami (FCMI), falowniki z zaciskami diodowymi (DCMI) i falowniki z kaskadowym mostkiem H.
Z praktycznego punktu widzenia, falowniki trójfazowe nadają się do zastosowań o dużym obciążeniu, falowniki czysto sinusoidalne mogą lepiej chronić urządzenia elektryczne, a falowniki wielopoziomowe są bardziej praktycznym wyborem.