Εισαγωγή σε διαφορετικούς τύπους μετατροπέων

Το τροφοδοτικό εναλλασσόμενου ρεύματος (AC) χρησιμοποιείται για σχεδόν όλες τις οικιακές, εμπορικές και βιομηχανικές ανάγκες. Αλλά το μεγαλύτερο πρόβλημα με το AC είναι ότι δεν μπορεί να αποθηκευτεί για μελλοντική χρήση. Έτσι το AC μετατρέπεται σε DC και στη συνέχεια το DC αποθηκεύεται σε μπαταρίες και υπερ-πυκνωτές. Και τώρα όποτε χρειάζεται AC, το DC μετατρέπεται και πάλι σε AC για τη λειτουργία συσκευών που βασίζονται σε AC. Έτσι, η συσκευή που μετατρέπει DC σε AC ονομάζεται Inverter. Ο μετατροπέας χρησιμοποιείται για τη μετατροπή DC σε μεταβλητή AC. Αυτή η διακύμανση μπορεί να είναι στο μέγεθος της τάσης, στον αριθμό των φάσεων, στη συχνότητα ή στη διαφορά φάσης.

Ταξινόμηση του μετατροπέα

Ο μετατροπέας μπορεί να ταξινομηθεί σε πολλούς τύπους με βάση την έξοδο, την πηγή, τον τύπο φορτίου κ.λπ. Ακολουθεί η πλήρης ταξινόμηση των κυκλωμάτων μετατροπέα:

(Ι) Σύμφωνα με το χαρακτηριστικό εξόδου

1. Μετατροπέας τετραγωνικών κυμάτων
2. Μετατροπέας Sine Wave
3. Τροποποιημένος μετατροπέας Sine Wave

(II) Σύμφωνα με την πηγή του μετατροπέα

1. Τρέχων μετατροπέας πηγής
2. Μετατροπέας πηγής τάσης

(III) Σύμφωνα με τον τύπο φορτίου

1. Μονοφασικός μετατροπέας
   1. Μετατροπέας μισής γέφυρας
   2. Μετατροπέας πλήρους γέφυρας
2. Τριφασικός μετατροπέας
   1. Λειτουργία 180 μοιρών
   2. Λειτουργία 120 μοιρών

(IV) Σύμφωνα με διαφορετική τεχνική PWM

1. Απλή διαμόρφωση πλάτους παλμού (SPWM)
2. Διαμόρφωση πολλαπλού πλάτους παλμού (MPWM)
3. Διαμόρφωση ημιτονοειδούς πλάτους παλμού (SPWM)
4. Τροποποιημένη ημιτονοειδής διαμόρφωση πλάτους παλμού (MSPWM)

(V) Σύμφωνα με τον αριθμό επιπέδου εξόδου

1. Κανονικός μετατροπέας δύο επιπέδων
2. Μετατροπέας πολλαπλών επιπέδων

Τώρα θα τα συζητήσουμε όλα ένα προς ένα. Μπορείτε να δείτε ένα δείγμα 12V DC έως 220v AC Inverter Circuit design εδώ.

(Ι) Σύμφωνα με το χαρακτηριστικό εξόδου

Σύμφωνα με το χαρακτηριστικό εξόδου ενός μετατροπέα, μπορεί να υπάρχουν τρεις διαφορετικοί τύποι μετατροπέων.

• Μετατροπέας τετραγωνικών κυμάτων
• Μετατροπέας Sine Wave
• Τροποποιημένος μετατροπέας Sine Wave

1) Μετατροπέας τετραγωνικών κυμάτων

Η κυματομορφή εξόδου της τάσης για αυτόν τον μετατροπέα είναι ένα τετραγωνικό κύμα. Αυτός ο τύπος μετατροπέα χρησιμοποιείται λιγότερο μεταξύ όλων των άλλων τύπων μετατροπέα, επειδή όλες οι συσκευές έχουν σχεδιαστεί για παροχή ημιτονοειδούς κύματος. Εάν παρέχουμε τετραγωνικό κύμα σε συσκευή που βασίζεται σε ημιτονοειδές κύμα, μπορεί να προκληθεί ζημιά ή οι απώλειες είναι πολύ υψηλές. Το κόστος αυτού του μετατροπέα είναι πολύ χαμηλό, αλλά η εφαρμογή είναι πολύ σπάνια. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε απλά εργαλεία με γενικό κινητήρα.

2) Ημιτονοειδές κύμα

Η κυματομορφή εξόδου της τάσης είναι ημιτονοειδές κύμα και μας δίνει μια πολύ παρόμοια έξοδο με το τροφοδοτικό. Αυτό είναι το μεγαλύτερο πλεονέκτημα αυτού του μετατροπέα, επειδή όλες οι συσκευές που χρησιμοποιούμε, έχουν σχεδιαστεί για το ημιτονοειδές κύμα. Έτσι, αυτή είναι η τέλεια παραγωγή και εγγυάται ότι ο εξοπλισμός θα λειτουργεί σωστά. Αυτός ο τύπος μετατροπέων είναι ακριβότερος αλλά χρησιμοποιείται ευρέως σε οικιακές και εμπορικές εφαρμογές.

3) Τροποποιημένο ημιτονοειδές κύμα

Η κατασκευή αυτού του τύπου μετατροπέα είναι περίπλοκη από τον απλό μετατροπέα τετραγωνικών κυμάτων αλλά ευκολότερη σε σύγκριση με τον μετατροπέα καθαρού ημιτονοειδούς κύματος. Η έξοδος αυτού του μετατροπέα δεν είναι καθαρό ημιτονοειδές κύμα ούτε τετράγωνο κύμα. Η έξοδος ενός τέτοιου μετατροπέα είναι τα δύο από τα τετραγωνικά κύματα Η κυματομορφή εξόδου δεν είναι ακριβώς ημιτονοειδές κύμα αλλά μοιάζει με το σχήμα ημιτονοειδούς κύματος.

(II) Σύμφωνα με την πηγή του μετατροπέα

• Μετατροπέας πηγής τάσης
• Τρέχων μετατροπέας πηγής

1) Τρέχων μετατροπέας πηγής

Στο CSI, η είσοδος είναι μια τρέχουσα πηγή. Αυτός ο τύπος μετατροπέων χρησιμοποιείται στη βιομηχανική εφαρμογή μέσης τάσης, όπου οι υψηλής ποιότητας κυματομορφές ρεύματος είναι υποχρεωτικές. Αλλά τα CSI δεν είναι δημοφιλή.

2) Μετατροπέας πηγής τάσης

Στο VSI, η είσοδος είναι πηγή τάσης. Αυτός ο τύπος μετατροπέα χρησιμοποιείται σε όλες τις εφαρμογές επειδή είναι πιο αποτελεσματικός και έχει μεγαλύτερη αξιοπιστία και ταχύτερη δυναμική απόκριση. Το VSI είναι ικανό να τρέχει κινητήρες χωρίς αποτίμηση.

(III) Σύμφωνα με τον τύπο φορτίου

• Μονοφασικός μετατροπέας
• Τριφασικός μετατροπέας

1) μονοφασικός μετατροπέας

Γενικά, το οικιακό και εμπορικό φορτίο χρησιμοποιεί μονοφασική ισχύ. Ο μονοφασικός μετατροπέας χρησιμοποιείται για αυτόν τον τύπο εφαρμογής. Ο μονοφασικός μετατροπέας χωρίζεται περαιτέρω σε δύο μέρη.

• Μονοφασικός μετατροπέας μισής γέφυρας
• Μονοφασικός μετατροπέας πλήρους γέφυρας

A) Μονοφασικός μετατροπέας μισής γέφυρας

Αυτός ο τύπος μετατροπέα αποτελείται από δύο θυρίστορ και δύο διόδους και η σύνδεση είναι όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Σε αυτήν την περίπτωση, η συνολική τάση DC είναι Vs και χωρίζεται σε δύο ίσα μέρη Vs / 2. Ο χρόνος για έναν κύκλο είναι T sec.

Για μισό κύκλο 0

Για το δεύτερο μισό κύκλο του T / 2

Vo = Vs / 2

Με αυτήν τη λειτουργία, μπορούμε να έχουμε κυματομορφή εναλλασσόμενης τάσης με συχνότητα 1 / T Hz και πλάτος Vs / 2. Η κυματομορφή εξόδου είναι ένα τετραγωνικό κύμα. Θα περάσει μέσα από το φίλτρο και θα αφαιρέσει ανεπιθύμητες αρμονικές που μας δίνουν καθαρή ημιτονοειδή κυματομορφή. Η συχνότητα της κυματομορφής μπορεί να ελεγχθεί από τον χρόνο ON (Ton) και τον χρόνο OFF (Toff) του θυρίστορ.

Το μέγεθος της τάσης εξόδου είναι το ήμισυ της τάσης τροφοδοσίας και η περίοδος χρήσης της πηγής είναι 50%. Αυτό είναι ένα μειονέκτημα του μετατροπέα μισής γέφυρας και η λύση αυτού είναι ο μετατροπέας πλήρους γέφυρας.

Β) Μονοφασικός μετατροπέας πλήρους γέφυρας

Σε αυτόν τον τύπο μετατροπέα, χρησιμοποιούνται τέσσερα θυρίστορ και τέσσερις δίοδοι. Το διάγραμμα κυκλώματος της μονοφασικής πλήρους γέφυρας είναι όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Συγχρόνως, δύο θυρίστορ T1 και T2 διεξάγονται για τον πρώτο μισό κύκλο 0 <t <T / 2. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, η τάση φορτίου είναι Vs που είναι παρόμοια με την τάση τροφοδοσίας DC.

Για το δεύτερο μισό κύκλο T / 2 <t <T, δύο θυρίστορ T3 και T4 διεξάγονται. Η τάση φορτίου κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου είναι -Vs.

Εδώ μπορούμε να πάρουμε τάση εξόδου AC ίδια με την τάση τροφοδοσίας DC και ο συντελεστής χρησιμοποίησης πηγής είναι 100%. Η κυματομορφή τάσης εξόδου είναι τετράγωνη κυματομορφή και τα φίλτρα χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή τους σε ημιτονοειδές κύμα.

Εάν όλα τα θυρίστορ συμπεριφέρονται ταυτόχρονα ή σε ζεύγος (T1 και T3) ή (T2 και T4), τότε η πηγή θα βραχυκυκλωθεί. Οι δίοδοι συνδέονται στο κύκλωμα ως δίοδος ανάδρασης επειδή χρησιμοποιείται για την ανάδραση ενέργειας στην πηγή DC.

Αν συγκρίνουμε το μετατροπέα πλήρους γέφυρας με το μετατροπέα μισής γέφυρας, για το δεδομένο φορτίο τάσης τροφοδοσίας DC, η τάση εξόδου είναι δύο φορές και η ισχύς είναι ισχύς τέσσερις φορές σε μετατροπέα πλήρους γέφυρας.

2) Τριφασικός μετατροπέας γέφυρας

Σε περίπτωση βιομηχανικού φορτίου, χρησιμοποιείται τριφασικό τροφοδοτικό και για αυτό, πρέπει να χρησιμοποιήσουμε έναν τριφασικό μετατροπέα. Σε αυτόν τον τύπο αντιστροφέα, χρησιμοποιούνται έξι θυρίστορ και έξι δίοδοι και συνδέονται όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Μπορεί να λειτουργήσει με δύο τρόπους ανάλογα με τον βαθμό παλμών της πύλης.

• Λειτουργία 180 μοιρών
• Λειτουργία 120 μοιρών

A) Λειτουργία 180 μοιρών

Σε αυτόν τον τρόπο λειτουργίας, ο χρόνος αγωγής για το θυρίστορ είναι 180 μοίρες. Σε οποιαδήποτε στιγμή της περιόδου, τρία θυρίστορ (ένας θυρίστορ από κάθε φάση) βρίσκονται σε λειτουργία αγωγής. Το σχήμα της τάσης φάσης είναι κυματομορφές τριών βαθμίδων και το σχήμα της τάσης γραμμής είναι ένα κυματοειδές κύμα όπως φαίνεται στο σχήμα.

Vab = Va0 - Vb0 Vbc = Vb0 - Vc0 Vca = Vc0 - Va0

Φάση Α	Τ1	Τ4	Τ1	Τ4
Φάση Β	Τ6	Τ3	Τ6	Τ3	Τ6
Φάση Γ	Τ5	Τ2	Τ5	Τ2	Τ5
Βαθμός	60	120	180	240	300	360	60	120	180	240	300	360
Ο θυρίστορ συμπεριφέρεται	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

Σε αυτή τη λειτουργία, το χρονικό κενό μεταξύ της μετακίνησης του εξερχόμενου θυρίστορ και της αγωγής του εισερχόμενου θυρίστορ είναι μηδέν. Έτσι, είναι δυνατή η ταυτόχρονη διεξαγωγή εισερχόμενου και εξερχόμενου θυρίστορ. Καταλήγει σε βραχυκύκλωμα της πηγής. Για να αποφευχθεί αυτή η δυσκολία, χρησιμοποιείται τρόπος λειτουργίας 120 βαθμών.

Β) Λειτουργία 120 μοιρών

Σε αυτή τη λειτουργία, κάθε φορά μόνο δύο θυρίστορ συμπεριφέρονται. Μία από τις φάσεις του θυρίστορ δεν συνδέεται ούτε με το θετικό τερματικό ούτε με το αρνητικό τερματικό. Ο χρόνος αγωγής για κάθε θυρίστορ είναι 120 μοίρες. Το σχήμα της τάσης γραμμής είναι κυματομορφή τριών βαθμίδων και το σχήμα της τάσης φάσης είναι κυματομορφή οιονεί τετράγωνο.

Φάση Α	Τ1		Τ4		Τ1		Τ4
Φάση Β	Τ6		Τ3		Τ6		Τ3		Τ6
Φάση Γ		Τ2		Τ5		Τ2		Τ5
βαθμός	60	120	180	240	300	360	60	120	180	240	300	360
Ο θυρίστορ συμπεριφέρεται	1 6	2 1	3 2	3 4	4 5	6 5	1 6	2 1	3 2	3 4	4 5	5 6

Η κυματομορφή της τάσης γραμμής, της τάσης φάσης και του παλμού πύλης του θυρίστορ είναι όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα.

Σε οποιονδήποτε ηλεκτρονικό διακόπτη ισχύος, υπάρχουν δύο τύποι απωλειών. απώλεια αγωγιμότητας και απώλεια μεταγωγής. Η απώλεια αγωγής σημαίνει απώλεια κατάστασης ON στον διακόπτη και η απώλεια μεταγωγής σημαίνει απώλεια κατάστασης OFF στον διακόπτη. Γενικά, η απώλεια αγωγιμότητας είναι μεγαλύτερη από την απώλεια μεταγωγής στο μεγαλύτερο μέρος της λειτουργίας.

Εάν εξετάσουμε τη λειτουργία 180 μοιρών για μία λειτουργία 60 βαθμών, τρεις διακόπτες είναι ανοιχτοί και τρεις διακόπτες κλειστοί. Το μέσο συνολική απώλεια ισούται με τρεις φορές την απώλεια αγωγής συν τρεις φορές την απώλεια αλλαγής.

Συνολική απώλεια σε 180 μοίρες = 3 (απώλεια αγωγιμότητας) + 3 (απώλεια μεταγωγής)

Εάν εξετάσουμε τη λειτουργία 120 μοιρών για μία λειτουργία 60 μοιρών, δύο διακόπτες είναι ανοιχτοί και οι υπόλοιποι τέσσερις διακόπτες είναι κλειστοί. Το μέσο συνολική απώλεια ισούται με δύο φορές την απώλεια αγωγιμότητας συν τέσσερις φορές την απώλεια μεταγωγής.

Συνολική απώλεια σε 120 βαθμούς = 2 (απώλεια αγωγιμότητας) + 4 (απώλεια μεταγωγής)

(IV) Ταξινόμηση σύμφωνα με την τεχνική ελέγχου

• Διαμόρφωση ενιαίου πλάτους παλμού (single PWM)
• Διαμόρφωση πολλαπλού πλάτους παλμού (MPWM)
• Διαμόρφωση ημιτονοειδούς πλάτους παλμού (SPWM)
• Τροποποιημένη διαμόρφωση πλάτους παλμών ημιτονοειδούς (MSPWM)

Η έξοδος του μετατροπέα είναι σήμα τετραγωνικού κύματος και αυτό το σήμα δεν χρησιμοποιείται για το φορτίο. Η τεχνική διαμόρφωσης πλάτους παλμού (PWM) χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της τάσης εξόδου AC. Αυτός ο έλεγχος επιτυγχάνεται με τον έλεγχο της περιόδου ON και OFF των διακοπτών. Στην τεχνική PWM χρησιμοποιούνται δύο σήματα. το ένα είναι σήμα αναφοράς και το δεύτερο είναι τριγωνικό σήμα φορέα. Ο παλμός πύλης για διακόπτες δημιουργείται συγκρίνοντας αυτά τα δύο σήματα. Υπάρχουν διαφορετικοί τύποι τεχνικών PWM.

1) Διαμόρφωση ενιαίου πλάτους παλμού (single PWM)

Για κάθε μισό κύκλο, ο μόνος παλμός είναι διαθέσιμος σε αυτήν την τεχνική ελέγχου. Το σήμα αναφοράς είναι σήμα τετραγωνικού κύματος και το σήμα φορέα είναι σήμα τριγωνικού κύματος. Ο παλμός πύλης για τους διακόπτες δημιουργείται συγκρίνοντας το σήμα αναφοράς και το σήμα φορέα. Η συχνότητα της τάσης εξόδου ελέγχεται από τη συχνότητα του σήματος αναφοράς. Το πλάτος του σήματος αναφοράς είναι Ar και το πλάτος του σήματος φορέα είναι Ac, τότε ο δείκτης διαμόρφωσης μπορεί να οριστεί ως Ar / Ac. Το κύριο μειονέκτημα αυτής της τεχνικής είναι το υψηλό αρμονικό περιεχόμενο.

2) Διαμόρφωση πολλαπλού πλάτους παλμού (MPWM)

Το μειονέκτημα της τεχνικής διαμόρφωσης πλάτους παλμού επιλύεται με πολλαπλά PWM. Σε αυτήν την τεχνική, αντί για έναν παλμό, χρησιμοποιούνται αρκετοί παλμοί σε κάθε μισό κύκλο της τάσης εξόδου. Η πύλη δημιουργείται συγκρίνοντας το σήμα αναφοράς και το σήμα φορέα. Η συχνότητα εξόδου ελέγχεται ελέγχοντας τη συχνότητα του σήματος φορέα. Ο δείκτης διαμόρφωσης χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της τάσης εξόδου.

Ο αριθμός παλμών ανά μισό κύκλο = fc / (2 * f0)

Όπου fc = συχνότητα σήματος φορέα

f0 = συχνότητα σήματος εξόδου

3) Διαμόρφωση ημιτονοειδούς πλάτους παλμού (SPWM)

Αυτή η τεχνική ελέγχου χρησιμοποιείται ευρέως σε βιομηχανικές εφαρμογές. Και στις δύο παραπάνω μεθόδους, το σήμα αναφοράς είναι ένα σήμα τετραγωνικού κύματος. Αλλά σε αυτή τη μέθοδο, το σήμα αναφοράς είναι σήμα ημιτονοειδούς κύματος. Ο παλμός πύλης για τους διακόπτες δημιουργείται συγκρίνοντας το σήμα αναφοράς ημιτονοειδούς κύματος με το τριγωνικό κύμα φορέα. Το πλάτος κάθε παλμού ποικίλλει ανάλογα με τη διακύμανση του πλάτους του ημιτονοειδούς κύματος. Η συχνότητα της κυματομορφής εξόδου είναι ίδια με τη συχνότητα του σήματος αναφοράς. Η τάση εξόδου είναι ημιτονοειδές κύμα και η τάση RMS μπορεί να ελεγχθεί με δείκτη διαμόρφωσης. Οι κυματομορφές είναι όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

4) Τροποποιημένη διαμόρφωση πλάτους παλμών ημιτονοειδούς (MSPWM)

Λόγω του χαρακτηριστικού του ημιτονοειδούς κύματος, το πλάτος παλμού του κύματος δεν μπορεί να αλλάξει με διακύμανση του δείκτη διαμόρφωσης στην τεχνική SPWM. Αυτός είναι ο λόγος, εισάγεται η τεχνική MSPWN. Σε αυτήν την τεχνική, το σήμα φορέα εφαρμόζεται κατά τη διάρκεια του πρώτου και τελευταίου διαστήματος 60 μοιρών κάθε μισού κύκλου. Με αυτόν τον τρόπο, το αρμονικό χαρακτηριστικό του βελτιώνεται. Το κύριο πλεονέκτημα αυτής της τεχνικής είναι η αύξηση του βασικού εξαρτήματος, ο μειωμένος αριθμός συσκευών εναλλαγής ισχύος και η μειωμένη απώλεια μεταγωγής. Η κυματομορφή είναι όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

(V) Σύμφωνα με τον αριθμό επιπέδων στην έξοδο

• Κανονικός μετατροπέας δύο επιπέδων
• Μετατροπέας πολλαπλών επιπέδων

1) Κανονικός μετατροπέας δύο επιπέδων

Αυτοί οι μετατροπείς έχουν μόνο επίπεδα τάσης στην έξοδο που είναι θετική τάση κορυφής και αρνητική τάση αιχμής. Μερικές φορές, το επίπεδο μηδενικής τάσης είναι επίσης γνωστό ως μετατροπέας δύο επιπέδων.

2) Πολυεπίπεδες μετατροπείς

Αυτοί οι μετατροπείς μπορούν να έχουν πολλαπλά επίπεδα τάσης στην έξοδο. Ο μετατροπέας πολλαπλών επιπέδων χωρίζεται σε τέσσερα μέρη.

- Ιπτάμενος πυκνωτής Inverter

- Μετατροπέας με διόδους

- Υβριδικός μετατροπέας

- Μετατροπέας τύπου Cascade

Κάθε μετατροπέας έχει τη δική του σχεδίαση για λειτουργία, εδώ εξηγήσαμε εν συντομία αυτούς τους μετατροπείς για να λάβουμε βασικές ιδέες για αυτούς.