Upoznavanje s različitim vrstama pretvarača

Izmjenična struja (AC) napajanja se koristi za gotovo sve stambene, komercijalne i industrijske potrebe. No, najveći je problem AC-a taj što se ne može pohraniti za buduću upotrebu. Tako se izmjenična struja pretvara u istosmjernu, a zatim se istosmjerna energija pohranjuje u baterije i ultra-kondenzatore. I sada, kad god je potreban izmjenični napon, istosmjerni izvor se opet pretvara u izmjenični za pokretanje uređaja koji se temelje na izmjeničnom naponu. Tako se uređaj koji pretvara istosmjernu struju u izmjenični naziva Inverter. Pretvarač se koristi za pretvaranje istosmjerne struje u promjenjivu izmjeničnu struju. Ova varijacija može biti u veličini napona, broju faza, frekvenciji ili faznoj razlici.

Klasifikacija pretvarača

Pretvarač se može klasificirati u mnoge tipove na temelju snage, izvora, vrste opterećenja itd. Ispod je cjelovita klasifikacija krugova pretvarača:

(I) Prema izlaznoj karakteristici

1. Pretvarač kvadratnih valova
2. Pretvarač sinusnog vala
3. Modificirani pretvarač sinusnog vala

(II) Prema izvoru invertera

1. Pretvarač trenutnog izvora
2. Pretvarač napona

(III) Prema vrsti tereta

1. Jednofazni pretvarač
   1. Pretvarač s pola mosta
   2. Pretvarač punog mosta
2. Trofazni pretvarač
   1. Način rada od 180 stupnjeva
   2. Način rada od 120 stupnjeva

(IV) Prema različitim PWM tehnikama

1. Jednostavna modulacija širine impulsa (SPWM)
2. Višestruka impulsna širina modulacije (MPWM)
3. Modulacija sinusne pulsne širine (SPWM)
4. Modificirana sinusno-modularna modulacija širine impulsa (MSPWM)

(V) Prema broju izlazne razine

1. Redovni dvorazinski pretvarač
2. Višerazinski pretvarač

Sada ćemo razgovarati o svima njima jedan po jedan. Uzorak dizajna kruga izmjeničnog pretvarača izmjeničnog napona do 220 v možete provjeriti ovdje.

(I) Prema izlaznoj karakteristici

Prema izlaznoj karakteristici pretvarača mogu postojati tri različite vrste pretvarača.

• Pretvarač kvadratnih valova
• Pretvarač sinusnog vala
• Modificirani pretvarač sinusnog vala

1) Pretvarač kvadratnog vala

Izlazni valni oblik napona za ovaj pretvarač je kvadratni val. Ova vrsta pretvarača najmanje se koristi među svim ostalim vrstama pretvarača jer su svi uređaji dizajnirani za opskrbu sinusnim valovima. Ako isporučujemo kvadratni val uređaju na bazi sinusnog vala, može se oštetiti ili su gubici vrlo visoki. Cijena ovog pretvarača je vrlo niska, ali aplikacija je vrlo rijetka. Može se koristiti u jednostavnim alatima s univerzalnim motorom.

2) Sinusni val

Izlazni valni oblik napona je sinusni val i daje nam vrlo sličan izlaz kao napajanje komunalne mreže. To je glavna prednost ovog pretvarača jer su svi uređaji koje koristimo dizajnirani za sinusni val. Dakle, ovo je savršen rezultat i daje garanciju da će oprema raditi ispravno. Ova vrsta pretvarača je skuplja, ali se široko koristi u stambenim i komercijalnim primjenama.

3) Modificirani sinusni val

Konstrukcija ove vrste pretvarača složena je od jednostavnog pretvarača kvadratnog vala, ali je lakša u usporedbi s pretvaračem čistog sinusnog vala. Izlaz ovog pretvarača nije niti čisti sinusni val niti kvadratni val. Izlaz takvog pretvarača je neki od dva kvadratna vala. Izlazni valni oblik nije točno sinusni val, ali podsjeća na oblik sinusnog vala.

(II) Prema izvoru pretvarača

• Pretvarač napona
• Pretvarač trenutnog izvora

1) Pretvarač trenutnog izvora

U CSI je ulaz trenutni izvor. Ova vrsta pretvarača koristi se u industrijskoj primjeni srednjeg napona, gdje su visokokvalitetni valovi struje obvezni. Ali CSI nisu popularni.

2) Pretvarač napona

U VSI je ulaz izvor napona. Ova vrsta pretvarača koristi se u svim aplikacijama jer je učinkovitija i ima veću pouzdanost i brži dinamički odziv. VSI može pokretati motore bez poništavanja.

(III) Prema vrsti tereta

• Jednofazni pretvarač
• Trofazni pretvarač

1) jednofazni pretvarač

Općenito, stambeno i poslovno opterećenje koristi jednofaznu snagu. Za ovu vrstu primjene koristi se jednofazni pretvarač. Jednofazni pretvarač dalje je podijeljen u dva dijela;

• Jednofazni pretvarač s pola mosta
• Jednofazni pretvarač s punim mostom

A) Jednofazni pretvarač s pola mosta

Ova vrsta pretvarača sastoji se od dva tiristora i dvije diode, a spoj je prikazan na donjoj slici.

U ovom je slučaju ukupni istosmjerni napon Vs i podijeljen na dva jednaka dijela Vs / 2. Vrijeme jednog ciklusa je T sek.

Za pola ciklusa od 0

U drugom poluciklu T / 2

Vo = Vs / 2

Ovom operacijom možemo dobiti valni oblik izmjeničnog napona s frekvencijom 1 / T Hz i vršnom amplitudom Vs / 2. Izlazni valni oblik je kvadratni val. Proći će kroz filtar i ukloniti neželjene harmonike koji nam daju čisti sinusni val. Učestalost valnog oblika može se kontrolirati pomoću vremena uključivanja (ton) i vremena isključenja (Toff) tiristora.

Veličina izlaznog napona je polovica napona napajanja iskoristivosti razdoblje i izvor je 50%. To je nedostatak pretvarača s pola mosta, a rješenje ovog pretvarača s punim mostom.

B) Jednofazni pretvarač s punim mostom

U ovoj vrsti pretvarača koriste se četiri tiristora i četiri diode. Shema sklopa jednofaznog punog mosta prikazana je na donjoj slici.

Po dva tiristora T1 i T2 provode se tijekom prvog poluciklusa 0 <t <T / 2. Tijekom tog razdoblja napon opterećenja je Vs što je slično naponu istosmjerne opskrbe.

Za drugi poluciklus T / 2 <t <T provode se dva tiristora T3 i T4. Napon opterećenja tijekom ovog razdoblja je -Vs.

Ovdje možemo dobiti izmjenični izlazni napon isti kao i istosmjerni napon, a faktor iskorištenja izvora je 100%. Valni oblik izlaznog napona je kvadratnog oblika i filtri se koriste za njegovo pretvaranje u sinusni val.

Ako se svi tiristori provode istodobno ili u paru (T1 i T3) ili (T2 i T4), tada će izvor biti kratko spojen. Diode su povezane u krug kao povratna dioda, jer se koristi za povratnu energiju na istosmjerni izvor.

Ako usporedimo pretvarač s punim mostom s pretvaračem s pola mosta, za dano opterećenje istosmjernog napona izlazni napon je dva puta, a izlazna snaga četiri puta u pretvaraču s punim mostom.

2) Trofazni mostni pretvarač

U slučaju industrijskog opterećenja koristi se trofazno napajanje izmjeničnom strujom, a za to moramo koristiti trofazni pretvarač. U ovom tipu pretvarača koristi se šest tiristora i šest dioda koji su povezani kako je prikazano na donjoj slici.

Može raditi u dva načina rada prema stupnju impulsa vrata.

• Način rada od 180 stupnjeva
• Način rada od 120 stupnjeva

A) Način od 180 stupnjeva

U ovom načinu rada, vrijeme provođenja tiristora je 180 stupnjeva. U bilo koje doba razdoblja, tri tiristora (po jedan tiristor iz svake faze) su u načinu provođenja. Oblik faznog napona je tri stepenasta oblika vala, a oblik linijskog napona je kvazi kvadratni val kao što je prikazano na slici.

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
Stupanj	60	120	180	240	300	360	60	120	180	240	300	360
Tiristor provodi	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

U ovoj operaciji vremenski razmak između komutacije odlaznog tiristora i provođenja dolaznog tiristora jednak je nuli. Dakle, moguće je istodobno provođenje ulaznog i odlaznog tiristora. Rezultat je kratki spoj izvora. Da bi se izbjegla ova poteškoća, koristi se način rada od 120 stupnjeva.

B) Način rada od 120 stupnjeva

U ovoj operaciji istodobno provode samo dva tiristora. Jedna od faza tiristora nije povezana niti s pozitivnim ni s negativnim priključkom. Vrijeme provođenja za svaki tiristor je 120 stupnjeva. Oblik linijskog napona je tročlani valni oblik, a oblik faznog napona je kvazi kvadratni valni oblik.

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

Valni oblik linijskog napona, faznog napona i impulsa vratašca tiristora prikazan je na gornjoj slici.

U bilo kojim prekidačima za napajanje postoje dvije vrste gubitaka; gubitak vodljivosti i gubitak komutacije. Gubitak vodljivosti znači gubitak stanja UKLJUČENO u prekidaču, a gubitak prebacivanja znači gubitak stanja ISKLJUČENOST u prekidaču. Općenito, gubitak provodljivosti veći je od gubitka prebacivanja u većini operacija.

Ako uzmemo u obzir način rada od 180 stupnjeva za jedan rad od 60 stupnjeva, tri su sklopke otvorene, a tri sklopke zatvorene. Znači da je ukupni gubitak jednak trostrukom gubitku provodljivosti plus tri puta preklopnom gubitku.

Ukupni gubitak na 180 stupnjeva = 3 (gubitak vodljivosti) + 3 (gubitak pri prebacivanju)

Ako uzmemo u obzir način rada od 120 stupnjeva za jedan rad od 60 stupnjeva, dvije su sklopke otvorene, a ostatak od četiri sklopke zatvoreni. Znači da je ukupni gubitak jednak dva puta gubitka vodljivosti plus četiri puta preklopnog gubitka.

Ukupni gubitak u 120 stupnjeva = 2 (gubitak vodljivosti) + 4 (gubitak pri prebacivanju)

(IV) Klasifikacija prema kontrolnoj tehnici

• Modulacija širine jednog pulsa (jedan PWM)
• Višestruka impulsna širina modulacije (MPWM)
• Modulacija sinusne pulsne širine (SPWM)
• Modificirana modulacija sinusoidalne širine impulsa (MSPWM)

Izlaz pretvarača je kvadratni val i ovaj signal se ne koristi za opterećenje. Tehnika modulacije širine impulsa (PWM) koristi se za kontrolu izlaznog napona izmjenične struje. Ova se kontrola postiže upravljanjem ON i OFF periodom prekidača. U PWM tehnici koriste se dva signala; jedan je referentni signal, a drugi trokutasti nosač. Puls vrata za prekidače generira se usporedbom ova dva signala. Postoje različite vrste PWM tehnika.

1) Modulacija širine jednog pulsa (jedan PWM)

Za svakih pola ciklusa jedini puls je dostupan u ovoj kontrolnoj tehnici. Referentni signal je signal četvrtastog vala, a signal nosača je trokutasti val. Puls vrata za prekidače generira se usporedbom referentnog signala i signala nosača. Učestalost izlaznog napona kontrolira se frekvencijom referentnog signala. Amplituda referentnog signala je Ar, a amplituda nosećeg signala Ac, tada se indeks modulacije može definirati kao Ar / Ac. Glavni nedostatak ove tehnike je visok harmonijski sadržaj.

2) Višestruka impulsna širina modulacije (MPWM)

Nedostatak tehnike modulacije širine jednog pulsa riješen je višestrukim PWM-om. U ovoj se tehnici, umjesto jednog impulsa, u svakom poluciklusu izlaznog napona koristi nekoliko impulsa. Vrata se generiraju usporedbom referentnog signala i signala nosača. Izlazna frekvencija kontrolira se kontrolom frekvencije nosača signala. Indeks modulacije koristi se za kontrolu izlaznog napona.

Broj impulsa u poluciklu = fc / (2 * f0)

Gdje je fc = frekvencija nosača signala

f0 = frekvencija izlaznog signala

3) Sinusoidna modulacija širine impulsa (SPWM)

Ova tehnika upravljanja široko se koristi u industrijskim primjenama. U gornje obje metode, referentni signal je signal kvadratnog vala. Ali u ovoj metodi, referentni signal je signal sinusnog vala. Puls na vratima za sklopke generira se usporedbom referentnog signala sinusnog vala s valom trokutastog nosača. Širina svakog pulsa varira ovisno o promjeni amplitude sinusnog vala. Frekvencija izlaznog valnog oblika jednaka je frekvenciji referentnog signala. Izlazni napon je sinusni val, a efektivni napon može se kontrolirati indeksom modulacije. Valni oblici prikazani su na donjoj slici.

4) Modificirana modulacija sinusoidalne širine impulsa (MSPWM)

Zbog karakteristike sinusnog vala, širina impulsa vala ne može se mijenjati s promjenom indeksa modulacije u SPWM tehnici. To je razlog, uvedena je MSPWN tehnika. U ovoj se tehnici signal nosača primjenjuje tijekom prvog i zadnjeg intervala od 60 stupnjeva u svakom poluciklusu. Na taj se način poboljšava njegova harmonička karakteristika. Glavna prednost ove tehnike je povećana temeljna komponenta, smanjen broj sklopnih uređaja i smanjeni gubici pri prebacivanju. Valni oblik je prikazan na donjoj slici.

(V) Prema broju nivoa na izlazu

• Redovni dvorazinski pretvarač
• Višerazinski pretvarač

1) Uobičajeni dvorazinski pretvarač

Ovi pretvarači imaju na izlazu samo naponske razine koje su pozitivni vršni napon i negativni vršni napon. Ponekad je postojanje nultonaponske razine poznato i kao dvorazinski pretvarač.

2) Višerazinski pretvarači

Ovi pretvarači mogu imati više nivoa napona na izlazu. Višerazinski pretvarač podijeljen je u četiri dijela.

- Leteći kondenzator pretvarač

- Diodno pričvršćeni pretvarač

- Hibridni pretvarač

- Kaskadni pretvarač tipa H

Svaki pretvarač ima svoj dizajn za rad, ovdje smo ukratko objasnili ovaj pretvarač kako bismo dobili osnovne ideje o njima.