Vänd om likriktarkretsen, anslut ena änden till likström (DC), och den andra änden kan leda ut växelström (AC). Detta är en inverter, en enhet som omvandlar likström till växelström.
De flesta kommersiella, industriella och bostäder kräver växelström, men växelström kan inte lagras i batterier, och batterilagring är viktigt för reservkraft. Nuförtiden kan denna defekt övervinnas med en DC-strömförsörjning.
DC-strömmens polaritet förändras inte över tiden som växelström, så likström kan lagras i batterier och superkondensatorer. Så vi kan först konvertera växelström till likström och sedan lagra den i batteriet. På detta sätt, närhelst växelström behövs för att driva växelströmsapparater, kommer likström att omvandlas tillbaka till växelström för att driva växelströmsapparater.
Beroende på applikationens ingångskälla, anslutningsmetod, utspänningsvågform etc. är omriktare indelade i följande 17 huvudkategorier.
1. Klassificera efter ingångskälla
Ingången på en växelriktare kan vara en spänningskälla eller en strömkälla, så den är uppdelad i spänningskälla-växelriktare (VSI) och strömkälla-växelriktare (CSI).
Voltage Source Inverter (VSI)
När växelriktarens ingång är en konstant likspänningskälla, kallas växelriktaren en spänningskälla.
Spänningskällans växelriktares ingång har en stel likspänningskälla med noll impedans. I själva verket kan impedansen för en DC-spänningskälla ignoreras. Om vi antar att VSI drivs av en idealisk spänningskälla (extremt låg impedanskälla), bestäms AC-utgångsspänningen helt av tillståndet för omkopplingsanordningarna i växelriktaren och den applicerade DC-strömförsörjningen.
Current Source Inverter (CSI)
När växelriktarens ingång är en konstant likströmskälla, kallas växelriktaren en strömkälla.
Stel ström tillförs från en likströmskälla till CSI, där likströmskällan har hög impedans. Vanligtvis används stora induktorer eller slutna styrströmmar för att ge stela strömmar. Den resulterande strömvågen är stel och påverkas inte av belastningen. AC-utgångsströmmen bestäms helt av omkopplingsanordningarna i växelriktaren och tillståndet för den DC-tillförda strömförsörjningen.
2. Klassificera efter utgångsfas
Beroende på utspänningen och strömfasen är växelriktare huvudsakligen indelade i två kategorier: enfas växelriktare och trefas växelriktare.
Enfas växelriktare
En enfas växelriktare omvandlar DC-ingången till enfasutgång. Utspänningen/strömmen från en enfas växelriktare har bara en fas, och dess nominella frekvens är den nominella spänningen på 50Hz eller 60Hz.
Den nominella spänningen definieras som den spänningsnivå vid vilken det elektriska systemet fungerar. Det finns olika nominella spänningar, nämligen 120V, 220V, 440V, 690V, 3,3KV, 6,6KV, 11kV, 33kV, 66kV, 132kV, 220kV, 400kV och 765kV. Låg nominell spänning kan uppnås direkt genom användning av interna transformatorer eller växelriktare med boost- och buck-kretsar, medan för hög nominell spänning används externa boosttransformatorer.
Enfas växelriktare används för låga belastningar. Enfasförlusterna är högre och enfaseffektiviteten är lägre än trefasväxelriktare. Därför är trefasväxelriktare det föredragna valet för höga belastningar.
Trefas växelriktare
En trefas växelriktare omvandlar likström till trefaseffekt. En trefas strömförsörjning ger tre kanaler växelström med enhetligt separerade fasvinklar. Amplituden och frekvensen för alla tre vågorna som genereras vid utgångsänden är desamma, men varierar något beroende på belastningen, och varje våg har en fasförskjutning på 120 grader mellan varandra.
I grund och botten består en trefas växelriktare av tre enfas växelriktare, var och en med ett fasavstånd på 120 grader, och varje enfas växelriktare är ansluten till en av de tre lastterminalerna.
3. Klassificerad efter kommuteringsteknik
Enligt kommuteringsteknik kan den delas in i två huvudtyper: linjekommutering och forcerad kommuteringsväxelriktare. Dessutom kan det finnas extra kommuteringsväxelriktare och komplementära kommuteringsväxelriktare, men eftersom de inte är vanligt förekommande kommer vi kort att diskutera de två huvudtyperna här.
Linjevändning
I dessa typer av växelriktare kan nätspänningen för AC-kretsen erhållas genom utrustning; När strömmen i SCR upplever noll egenskaper stängs enheten av. Denna kommuteringsprocess kallas linjekommutering, och växelriktare som arbetar utifrån denna princip kallas linjekommuteringsväxelriktare.
Tvångspendling
Vid denna typ av kommutering kommer det inte att finnas någon nollpunkt i strömförsörjningen. Det är därför som vissa externa källor behövs för att korrigera enheten. Denna kommuteringsprocess kallas forcerad kommutering, och växelriktare baserade på denna process kallas forcerad kommuteringsväxelriktare.
4. Klassificerad efter anslutningsmetod
Enligt anslutningsmetoden för tyristorer i kretsen kan den delas in i serieväxelriktare, parallella växelriktare och bryggväxelriktare, bland vilka bryggväxelriktare är ytterligare uppdelade i halvbrygga, helbrygga och trefasbrygga.
Serie växelriktare
En serieväxelriktare består av ett par tyristorer och RLC-kretsar (motstånd, induktans och kapacitans). En tyristor är ansluten parallellt med RLC-kretsen och en tyristor är ansluten i serie mellan DC-strömförsörjningen och RLC-kretsen. Denna typ av växelriktare kallas för serieväxelriktare eftersom lasten är direktkopplad i serie med likströmskällan med hjälp av tyristorer.
Serieväxelriktare är också kända som självkommuterande växelriktare eftersom tyristorerna i denna typ av växelriktare är självkommuterande av belastningen. Ett annat namn för den här växelriktaren är 'belastningskommuteringsväxelriktare'. Anledningen till att ge detta namn är att LCR är en last som ger kommutering.
Parallell växelriktare
En parallell växelriktare består av två tyristorer, en kondensator, en mittuttagstransformator och en induktor. Tyristorer används för att ge en väg för strömflöde, medan induktorer används för att hålla strömkällan konstant. Ledningen och avstängningen av dessa tyristorer styrs av kommuteringskondensatorerna anslutna mellan dem.
Det kallas en parallell inverterare eftersom kondensatorn i drift är ansluten parallellt med lasten genom en transformator.
Halvbrygga inverter
En halvbrygga-växelriktare kräver två elektroniska brytare för att fungera. Switchar kan vara MOSFETs, IJBTs, BJTs eller tyristorer.En halvbrygga med tyristor och BJT-omkopplare kräver ytterligare två dioder, förutom rena resistiva belastningar, medan MOSFETs har inbyggda dioder. Kort sagt räcker två omkopplare för att möta rena resistiva belastningar, medan andra belastningar (induktorer och kondensatorer) kräver ytterligare två dioder. Dessa dioder kallas återkopplingsdioder eller frihjulsdioder.
Arbetsprincipen för en halvbrygga-växelriktare är densamma för alla brytare, men här diskuterar vi en halvbrygga med tyristorbrytare. Det finns två komplementära tyristorer, vilket innebär att man leder en tyristor åt gången. För resistiva belastningar fungerar kretsen i två lägen. Omkopplingsfrekvensen bestämmer utfrekvensen. När utfrekvensen är 50HZ, leder varje tyristor en gång i 20ms.
Full bryggväxelriktare
En enfas helbryggomriktare har fyra styrda brytare som används för att styra strömriktningen i lasten. Denna brygga har 4 återkopplingsdioder som kan mata tillbaka energin som lagras i lasten till strömförsörjningen. Dessa återkopplingsdioder fungerar endast när alla tyristorer är avstängda och belastningen inte är en ren resistiv belastning.
För alla belastningar fungerar endast 2 tyristorer åt gången. Tyristorerna T1 och T2 kommer att leda i en cykel, medan T3 och T4 kommer att leda i en annan cykel. Med andra ord, när T1 och T2 är i ON-tillståndet, är T3 och T4 i OFF-tillståndet, medan när T3 och T4 är i ON-tillståndet är de andra två i OFF-tillståndet. Att öppna två eller flera tyristorer samtidigt kan orsaka kortslutning, generera överdriven värme och omedelbart bränna ut kretsen.
Trefas bryggväxelriktare
Industriell och andra tunga belastningar kräver trefas strömförsörjning. För att driva dessa tunga belastningar från lagringsenheter eller andra likströmskällor krävs en trefas växelriktare. En trefas bryggväxelriktare kan användas för detta ändamål.
En trefas bryggväxelriktare är en annan typ av bryggväxelriktare, som består av 6 styrda brytare och 6 dioder, som visas i figuren.
5. Klassificerad efter driftläge
Beroende på driftläget är växelriktare indelade i tre huvudkategorier:
Oberoende växelriktare
Den oberoende växelriktaren är direkt ansluten till lasten och kommer inte att avbrytas av andra strömkällor. Oberoende inverter eller "off grid mode inverter", växelriktaren levererar ström till lasten oberoende utan att påverkas av nätet eller andra strömkällor.
Dessa växelriktare kallas växelriktare för off grid mode eftersom de inte påverkas av nätnätet. Dessa växelriktare kan inte anslutas till elnätet eftersom de inte har synkroniseringsförmåga, där synkronisering är processen att matcha fasen och den nominella frekvensen (50/60hz) för två växelströmskällor.
Nätansluten växelriktare
Nätanslutna eller nätanslutna växelriktare (GTI) har två huvudfunktioner. En funktion hos nätanslutna växelriktare är att tillhandahålla växelström från lagringsenheter (likströmskällor) till växelströmsbelastningar, medan en annan funktion hos nätanslutna växelriktare är att ge extra ström till nätet.
Nätanslutna växelriktare, även känd som interaktiva växelriktare, växelriktare för nätsammankoppling eller växelriktare för nätåterkoppling, synkroniserar strömmens frekvens och fas för att anpassa sig till elnätet. Genom att öka omriktarens spänningsnivå överförs ström från likströmskällan till elnätet.
Dual peak inverter
Dual peak-växelriktaren kan fungera som både en nätansluten växelriktare och en oberoende växelriktare. Dessa växelriktare kan injicera ytterligare energi från förnybara energikällor och lagringsenheter i nätet, och hämta el från nätet när energin som genereras av förnybar energi är otillräcklig. Med andra ord kan dessa växelriktare fungera som oberoende växelriktare och nätanslutna växelriktare enligt belastningens krav. Dual peak växelriktare är multifunktionella, inklusive funktionerna hos oberoende växelriktare och nätanslutna växelriktare.
Funktionen hos en dubbeltoppsomriktare kommer att variera med belastningen. Om det finns ett problem med elnätet eller när kraften från förnybar energi är tillräcklig för att möta belastningen kommer dess funktion att ändras till en oberoende växelriktare (den blir en oberoende växelriktare). I detta fall kommer överföringsomkopplaren att koppla bort växelriktaren från nätet.
När förnybar energi börjar generera ytterligare energi kommer driftläget att växla från oberoende läge till nätanslutet läge. Växelriktaren synkroniserar sin fas och frekvens med växelriktaren och börjar tillföra ytterligare energi i nätet.
6. Klassificera efter utgångsvågform
Den ideala växelriktaren hänvisar till en växelriktare som omvandlar DC-signaler till rena sinusformade AC-utgångar. Problemet med faktiska växelriktare är att deras utsignaler inte är enbart sinusformade. Enligt utgångsvågformen är växelriktare indelade i tre kategorier:
Fyrkantsvågsomriktare
Dessa är de enklaste växelriktarna för att omvandla likström till växelström, men den utgående vågformen är inte den rena sinusvågen som krävs. Dessa växelriktare har fyrkantsvågor vid utgångsänden. Med andra ord omvandlar dessa växelriktare DC-ingång till AC i form av fyrkantsvågor. Samtidigt är fyrkantsvågomriktare också billigare.
Den enklaste strukturen för dessa växelriktare kan vara en H-brygga växelriktare. Som visas i figuren kan man uppnå en enklare version med SPDT (single push double throw)-brytare innan transformatorn. Denna transformator hjälper också till att uppnå önskad utspänningsnivå.
Driften av en given modell är extremt enkel. Att helt enkelt slå på och av omkopplaren kommer samtidigt att ändra strömmen vid utgångsterminalen. Med andra ord, omkoppling av enkelpolig dubbelkast vid önskad frekvens kommer att generera AC-fyrkantvågor vid utgången av en typisk växelriktare (dvs. centrumuttagstransformator). Den harmoniska distorsionen för en typisk sinusvåg är cirka 45 %, vilket kan reduceras ytterligare genom att använda filter för att filtrera bort vissa övertoner.
Kvasi sinusvågsomriktare
Kvasisinusvågsomriktare, även känd som modifierad sinusvågsomriktare med stegade sinusvågor. Med andra ord ökar utsignalerna från dessa växelriktare gradvis i positiv polaritet. Efter att ha nått den positiva toppen minskar utsignalen gradvis tills den når den negativa toppen, som visas i figuren.
Strukturen för en kvasi sinusvågsväxelriktare är mycket enklare än en ren sinusvågsväxelriktare, men mer komplex än en ren fyrkantsvågsinverterare.
Även om den slutliga utgångsvågformen från dessa växelriktare inte är en ren sinusvåg, är den harmoniska distorsionen av utgången fortfarande reducerad till 24 %. Filtrering kommer att minska distorsionen ytterligare, men mängden distorsion är fortfarande betydande. Av denna anledning är dessa växelriktare inte det föredragna valet för att driva olika belastningar, inklusive elektroniska kretsar.
Kvasisinusvågor kan permanent skada elektroniska enheter med timers i kretsen. Om de är anslutna till en kvasi-sinusvågsomvandlare kommer alla elektriska apparater med motorer inte att fungera lika effektivt som de som är anslutna till en ren sinusvågsomriktare. Dessutom kan snabba vågformsövergångar orsaka brus. På grund av dessa problem är användningen av kvasi-sinusvågomriktare begränsad.
Ren sinusvågsomriktare
En ren sinusväxelriktare omvandlar DC till nästan ren sinus AC. Utgångsvågformen för en ren sinusvågsomriktare är fortfarande inte en ideal sinusvåg, men den är mycket jämnare än fyrkantvågs- och kvasi-sinusvågomriktare.
Utgångsvågformen från en ren sinusvågsomriktare har extremt låga övertoner. Övertoner är sinusvågor med udda multipler av grundfrekvensen för olika amplituder. Övertoner är mycket impopulära eftersom de kan orsaka allvarliga problem med olika elektriska apparater. Genom att använda olika PWM-tekniker och sedan föra utsignalen genom ett lågpassfilter kan dessa övertoner reduceras ytterligare.
Konstruktionen och driften av rena sinusvågsväxelriktare är mycket mer komplexa än fyrkantsvågor och modifierade fyrkantsvågsväxelriktare.
Dessa växelriktare är överlägsna de två första växelriktarna eftersom de flesta elektriska apparater kräver rena sinusvågor för att fungera bättre. Som nämnts tidigare kan fyrkantvågs- eller kvasi-sinusvågsomriktare skada elektriska apparater, särskilt de som är utrustade med motorer. Därför används en ren sinusväxelriktare för praktisk användning.
7. Klassificerad efter antalet utgångsnivåer
Utgångsnivån för varje växelriktare kan vara minst två eller fler. Beroende på antalet utgångsnivåer är växelriktare indelade i två kategorier: tvånivåväxelriktare och flernivåväxelriktare.
Två nivås växelriktare
En växelriktare med två nivåer har två utgångsnivåer. Utspänningen växlar mellan positiv och negativ och växlar vid grundfrekvensen (50Hz eller 60Hz).
Vissa så kallade "tvånivåväxelriktare" har tre nivåer i sin utgående vågform. Skälet till att klassificera trenivåomriktare i denna kategori är att en av nivåerna är nollspänning. Egentligen är noll den tredje nivån, men den klassificeras fortfarande som en tvåstegs växelriktare.
En växelriktarkrets med två nivåer består av en källa och några omkopplare som styr ström eller spänning. På grund av begränsningarna av omkopplarförluster och enhetsklassificeringar är högfrekvensdriften av tvånivåomriktare i högspänningstillämpningar begränsad. Omkopplarens nominella värde kan dock ökas genom serie- och parallellkombinationer. Gruppen av omkopplare som ger en positiv halvcykel i en tvånivåomriktare kallas en positiv gruppomkopplare, medan den andra gruppen av switchar som ger en negativ halvcykel kallas en negativ gruppomkopplare.
På grund av följande skäl är en tvånivåomriktare inte att föredra. Växelriktare kräver det minsta antalet omkopplare och strömkällor för att driva och omvandla ström i små spänningssteg. Ett mindre spänningssteg ger högkvalitativa vågformer. Dessutom kan det också minska spänningen (dv/dt) stress och elektromagnetisk kompatibilitetsproblem på lasten. Därför är flernivåväxelriktare det mer praktiska förstahandsvalet.
Multi level inverter (MLI)
En flernivåväxelriktare omvandlar DC-signaler till flernivåstegsvågformer. Utgångsvågformen från en multi-level inverter är inte direkt positiv och negativ alternerande, utan multi-level alternerande. På grund av det faktum att vågformens jämnhet är direkt proportionell mot antalet spänningsnivåer. Därför kommer flernivåväxelriktare att producera jämnare vågformer. Som tidigare nämnts gör denna egenskap den lämplig för praktiska tillämpningar.
Slutsats:
Den här artikeln introducerar 17 huvudtyper av växelriktare, men i själva verket finns det många andra klassificeringar av växelriktare. Till exempel kan flernivåväxelriktare också delas in i flygande kondensatorväxelriktare (FCMI), diodklämda växelriktare (DCMI) och kaskadkopplade H-bryggväxelriktare.
Ur ett praktiskt applikationsperspektiv är trefasväxelriktare lämpliga för högbelastningstillämpningar, rena sinusväxelriktare kan bättre skydda elektriska apparater och flernivåväxelriktare är mer praktiska val.