Käännä tasasuuntauspiiri, kytke toinen pää tasavirtaan (DC), ja toinen pää voi johtaa vaihtovirtaa (AC). Tämä on invertteri, laite, joka muuntaa tasavirran vaihtovirraksi.
Useimmat kaupalliset, teollisuuden ja asuinrakentamisen kuormat vaativat vaihtovirtaa, mutta vaihtovirtaa ei voi varastoida akkuihin, ja akkujen varastointi on tärkeää varavirran kannalta. Nykyään tämä vika voidaan korjata tasavirtalähteellä.
Tasavirran napaisuus ei muutu ajan myötä kuten vaihtovirta, joten tasavirtaa voidaan varastoida akkuihin ja superkondensaattoreihin. Voimme siis ensin muuntaa vaihtovirran tasavirraksi ja varastoida sen sitten akkuun. Tällä tavalla aina kun vaihtovirtaa tarvitaan vaihtovirtalaitteiden käyttämiseen, tasavirta muunnetaan takaisin vaihtovirtalähteeksi vaihtovirtalaitteiden käyttöä varten.
Sovelluksen tulolähteen, liitäntätavan, lähtöjännitteen aaltomuodon jne. mukaan invertterit on jaettu seuraaviin 17 pääluokkaan.
1. Luokittele tulolähteen mukaan
Invertterin tulo voi olla jännitelähde tai virtalähde, joten se on jaettu jännitelähteen invertteriin (VSI) ja virtalähteen invertteriin (CSI).
Jännitelähdeinvertteri (VSI)
Kun invertterin tulo on vakio DC-jännitelähde, invertteriä kutsutaan jännitelähdeinvertteriksi.
Jännitelähdeinvertterin tulossa on jäykkä tasajännitelähde, jonka impedanssi on nolla. Itse asiassa tasajännitelähteen impedanssi voidaan jättää huomiotta. Olettaen, että VSI saa virtansa ihanteellisesta jännitelähteestä (erittäin pieni impedanssilähde), AC-lähtöjännite määräytyy täysin invertterin kytkinlaitteiden tilan ja käytetyn tasavirtalähteen mukaan.
Virtalähteen invertteri (CSI)
Kun invertterin tulo on vakio DC-virtalähde, invertteriä kutsutaan virtalähdeinvertteriksi.
Jäykkä virta syötetään tasavirtalähteestä CSI:hen, jossa tasavirtalähteellä on korkea impedanssi. Yleensä suuria keloja tai suljetun silmukan ohjausvirtoja käytetään jäykkien virtojen aikaansaamiseen. Tuloksena oleva virta-aalto on jäykkä, eikä kuorma vaikuta siihen. Vaihtovirran lähtövirta määräytyvät täysin vaihtosuuntaajan kytkinlaitteiden ja tasavirtalähteen tilan mukaan.
2. Luokittele lähtövaiheen mukaan
Lähtöjännitteen ja virtavaiheen mukaan invertterit jaetaan pääasiassa kahteen luokkaan: yksivaiheiset invertterit ja kolmivaiheiset invertterit.
Yksivaiheinen invertteri
Yksivaiheinen invertteri muuntaa DC-syötön yksivaiheiseksi lähdöksi. Yksivaiheisen invertterin lähtöjännitteellä/virralla on vain yksi vaihe ja sen nimellistaajuus on 50 Hz tai 60 Hz nimellisjännite.
Nimellisjännite määritellään jännitetasoksi, jolla sähköjärjestelmä toimii. Nimellisjännitteitä on erilaisia, nimittäin 120V, 220V, 440V, 690V, 3.3KV, 6.6KV, 11kV, 33kV, 66kV, 132kV, 220kV, 400kV ja 765kV. Alhainen nimellisjännite voidaan saavuttaa suoraan käyttämällä sisäisiä muuntajia tai inverttereitä boost- ja buck-piireillä, kun taas korkealla nimellisjännitteellä käytetään ulkoisia tehostusmuuntajia.
Yksivaiheisia inverttereitä käytetään pienille kuormille. Yksivaiheiset häviöt ovat suuremmat ja yksivaiheinen hyötysuhde pienempi kuin kolmivaiheiset invertterit. Siksi kolmivaiheiset invertterit ovat suositeltu valinta suurille kuormituksille.
Kolmivaiheinen invertteri
Kolmivaiheinen invertteri muuntaa tasavirran kolmivaiheiseksi tehoksi. Kolmivaiheinen virtalähde tarjoaa kolme kanavaa vaihtovirtaa tasaisesti erotetuilla vaihekulmilla. Kaikkien kolmen lähtöpäässä syntyvän aallon amplitudi ja taajuus ovat samat, mutta vaihtelevat hieman kuormituksen vuoksi, ja jokaisella aallolla on 120 asteen vaihesiirto keskenään.
Periaatteessa yksittäinen kolmivaiheinen invertteri koostuu kolmesta yksivaiheisesta invertteristä, joiden kunkin vaiheetäisyys on 120 astetta, ja jokainen yksivaiheinen invertteri on kytketty yhteen kolmesta kuormitusliittimestä.
3. Luokiteltu kommutointitekniikan mukaan
Kommutointitekniikan mukaan se voidaan jakaa kahteen päätyyppiin: linjakommutointiin ja pakkokommutointiinvertteriin. Lisäksi voi olla apukommutointiinverttereitä ja komplementaarisia kommutointiinverttereitä, mutta koska niitä ei käytetä yleisesti, käsittelemme tässä lyhyesti kahta päätyyppiä.
Linjan vaihto
Tämän tyyppisissä inverttereissä AC-piirin verkkojännite voidaan saada laitteiden avulla; Kun SCR-virran ominaisuudet ovat nolla, laite sammuu. Tätä kommutointiprosessia kutsutaan linjakommutaatioksi, ja tällä periaatteella toimivia vaihtosuuntaajia kutsutaan linjakommutaatioinverttereiksi.
Pakotettu kommutointi
Tämän tyyppisessä kommutaatiossa virtalähteessä ei ole nollapistettä. Tästä syystä laitteen korjaamiseen tarvitaan ulkoisia lähteitä. Tätä kommutointiprosessia kutsutaan pakotetuksi kommutaatioksi, ja tähän prosessiin perustuvia inverttereitä kutsutaan pakkokommutaatioinverttereiksi.
4. Luokiteltu yhteystavan mukaan
Piirin tyristorien kytkentämenetelmän mukaan se voidaan jakaa sarjainverttereihin, rinnakkaisinverttereihin ja siltainvertteriin, joista siltainvertterit jaetaan edelleen puolisillaksi, täyssillaksi ja kolmivaiheiseksi sillaksi.
Sarjan invertteri
Sarjainvertteri koostuu parista tyristoreista ja RLC-piireistä (resistanssi, induktanssi ja kapasitanssi). Yksi tyristori on kytketty rinnan RLC-piirin kanssa ja yksi tyristori on kytketty sarjaan tasavirtalähteen ja RLC-piirin väliin. Tämän tyyppistä invertteriä kutsutaan sarjainvertteriksi, koska kuorma on kytketty suoraan sarjaan tasavirtalähteen kanssa tyristorien avulla.
Sarjainvertterit tunnetaan myös itsekommutaatioinverttereinä, koska tämän tyyppisten invertterien tyristorit kommutoidaan itse kuormalla. Tämän invertterin toinen nimi on "kuorman kommutaatioinvertteri". Syy tälle nimelle on, että LCR on kuorma, joka tarjoaa kommutoinnin.
Rinnakkaisinvertteri
Rinnakkaisinvertteri koostuu kahdesta tyristorista, kondensaattorista, keskimittausmuuntajasta ja kelasta. Tyristoreita käytetään tarjoamaan reitti virran virtaukselle, kun taas induktoreita käytetään pitämään virtalähde vakiona. Näiden tyristorien johtavuutta ja sammuttamista ohjaavat niiden väliin kytketyt kommutointikondensaattorit.
Sitä kutsutaan rinnakkaisinvertteriksi, koska käytössä kondensaattori on kytketty rinnan kuorman kanssa muuntajan kautta.
Puolisilta invertteri
Puolisiltainvertteri vaatii toimiakseen kaksi elektronista kytkintä. Kytkimet voivat olla MOSFETejä, IJBT:itä, BJT:itä tai tyristoreita.Puolisilta tyristori- ja BJT-kytkimillä vaatii kaksi lisädiodia, lukuun ottamatta puhtaita resistiivisiä kuormia, kun taas MOSFETeissä on sisäänrakennetut diodit. Lyhyesti sanottuna kaksi kytkintä riittää täyttämään puhtaat resistiiviset kuormat, kun taas muut kuormat (induktorit ja kondensaattorit) vaativat kaksi lisädiodia. Näitä diodeja kutsutaan takaisinkytkentädiodeiksi tai vapaakäyntidiodeiksi.
Puolisiltainvertterin toimintaperiaate on sama kaikille kytkimille, mutta tässä puhutaan puolisillasta, jossa on tyristorikytkimet. On olemassa kaksi toisiaan täydentävää tyristoria, mikä tarkoittaa yhden tyristorin johtamista kerrallaan. Resistiivisillä kuormilla piiri toimii kahdessa tilassa. Kytkentätaajuus määrää lähtötaajuuden. Kun lähtötaajuus on 50 Hz, jokainen tyristori johtaa kerran 20 ms:n ajan.
Täyssilta invertteri
Yksivaiheisessa täyssiltainvertterissä on neljä ohjattua kytkintä, joilla ohjataan kuorman virran suuntaa. Tässä sillassa on 4 takaisinkytkentädiodia, jotka voivat syöttää kuormaan varastoidun energian takaisin virtalähteeseen. Nämä takaisinkytkentädiodit toimivat vain, kun kaikki tyristorit on kytketty pois päältä ja kuorma ei ole puhtaasti resistiivinen kuorma.
Kaikilla kuormituksilla vain 2 tyristoria toimii kerrallaan. Tyristorit T1 ja T2 johtavat yhdessä syklissä, kun taas T3 ja T4 johtavat toisessa jaksossa. Toisin sanoen, kun T1 ja T2 ovat ON-tilassa, T3 ja T4 ovat OFF-tilassa, kun taas kun T3 ja T4 ovat ON-tilassa, kaksi muuta ovat OFF-tilassa. Kahden tai useamman tyristorin avaaminen kerralla voi aiheuttaa oikosulun, tuottaa liiallista lämpöä ja polttaa piirin välittömästi.
Kolmivaiheinen siltainvertteri
Teolliset ja muut raskaat kuormat vaativat kolmivaiheisen virtalähteen. Jotta näitä raskaita kuormia voidaan käyttää tallennuslaitteista tai muista tasavirtalähteistä, tarvitaan kolmivaiheinen invertteri. Tähän tarkoitukseen voidaan käyttää kolmivaiheista siltainvertteriä.
Kolmivaiheinen siltainvertteri on toisen tyyppinen siltainvertteri, joka koostuu 6 ohjatusta kytkimestä ja 6 diodista, kuten kuvassa näkyy.
5. Luokiteltu käyttötavan mukaan
Toimintatavan mukaan invertterit jaetaan kolmeen pääluokkaan:
Itsenäinen invertteri
Itsenäinen invertteri on kytketty suoraan kuormaan, eivätkä muut virtalähteet keskeytä sitä. Itsenäinen invertteri tai "off grid mode invertteri", invertteri syöttää tehoa kuormalle itsenäisesti ilman, että verkko tai muut virtalähteet vaikuttavat siihen.
Näitä inverttereitä kutsutaan off grid -tilan inverttereiksi, koska sähköverkko ei vaikuta niihin. Näitä inverttereitä ei voi liittää sähköverkkoon, koska niillä ei ole synkronointikykyä, jolloin synkronointi on prosessi, jossa sovitetaan kahden vaihtovirtalähteen vaihe ja nimellistaajuus (50/60hz).
Verkkoon kytketty invertteri
Verkkoon kytketyillä tai verkkoon kytketyillä inverttereillä (GTI) on kaksi päätoimintoa. Verkkoon kytkettyjen invertterien yksi tehtävä on tarjota vaihtovirtaa tallennuslaitteista (DC-virtalähteistä) vaihtovirtakuormille, kun taas verkkoon kytkettyjen invertterien toinen tehtävä on tarjota verkkoon lisätehoa.
Verkkoon kytketyt invertterit, jotka tunnetaan myös nimellä utilities interaktiiviset invertterit, verkkojen yhteenliittämisinvertterit tai verkon takaisinkytkentäinvertterit, synkronoivat virran taajuuden ja vaiheen mukautuakseen sähköverkkoon. Nostamalla invertterin jännitetasoa, teho siirtyy tasavirtalähteestä sähköverkkoon.
Dual Peak invertteri
Dual Peak invertteri voi toimia sekä verkkoon kytkettynä invertterina että itsenäisenä invertterina. Nämä invertterit voivat syöttää verkkoon lisäenergiaa uusiutuvista energialähteistä ja varastolaitteista sekä ottaa sähköä verkosta, kun uusiutuvan energian tuottama energia ei riitä. Toisin sanoen nämä invertterit voivat toimia itsenäisinä inverttereinä ja verkkoon kytkettyinä inverttereinä kuormituksen vaatimusten mukaisesti. Dual Peak invertterit ovat monitoimisia, sisältäen itsenäisten invertterien ja verkkoon kytkettyjen invertterien toiminnot.
Dual Peak invertterin toiminta vaihtelee kuorman mukaan. Jos sähköverkossa on ongelma tai kun uusiutuvan energian teho riittää vastaamaan kuormitukseen, sen toiminto muutetaan itsenäiseksi invertteriksi (sitä tulee itsenäinen invertteri). Tässä tapauksessa siirtokytkin irrottaa invertterin verkosta.
Kun uusiutuva energia alkaa tuottaa lisäenergiaa, toimintatila siirtyy itsenäisestä tilasta verkkoon kytkettyyn tilaan. Invertteri synkronoi vaiheensa ja taajuutensa invertterin kanssa ja alkaa ruiskuttaa verkkoon lisäenergiaa.
6. Luokittele lähtöaaltomuodon mukaan
Ihanteellinen invertteri viittaa invertteriin, joka muuntaa DC-signaalit puhtaiksi sinimuotoisiksi AC-lähdöiksi. Varsinaisten invertterien ongelmana on, että niiden lähtösignaalit eivät ole puhtaasti sinimuotoisia. Lähtöaaltomuodon mukaan invertterit jaetaan kolmeen luokkaan:
Neliöaaltoinvertteri
Nämä ovat yksinkertaisimpia invertterit tasavirran muuttamiseksi vaihtovirraksi, mutta lähtöaaltomuoto ei ole vaadittu puhdas siniaalto. Näissä inverttereissä on neliöaaltoja lähtöpäässä. Toisin sanoen nämä invertterit muuntavat DC-syötön AC:ksi neliöaaltojen muodossa. Samaan aikaan neliöaaltoinvertterit ovat myös halvempia.
Näiden invertterien yksinkertaisin rakenne voi olla H-siltainvertteri. Kuten kuvasta näkyy, käyttämällä SPDT-kytkimiä (single push double throw) ennen kuin muuntaja voi saavuttaa yksinkertaisemman version. Tämä muuntaja auttaa myös saavuttamaan halutun lähtöjännitetason.
Tietyn mallin toiminta on erittäin yksinkertaista. Yksinkertaisesti kytkimen kytkeminen päälle ja pois päältä muuttaa samanaikaisesti virtaa lähtöliittimessä. Toisin sanoen yksinapaisen kaksoisheiton kytkeminen halutulla taajuudella tuottaa AC-neliöaaltoja tyypillisen invertterin (eli keskitappimuuntajan) lähdössä. Tyypillisen siniaallon harmoninen särö on noin 45 %, jota voidaan edelleen vähentää käyttämällä suodattimia suodattamaan joitakin harmonisia.
Kvasisiniaaltoinvertteri
Kvasisiniaaltoinvertteri, joka tunnetaan myös nimellä modifioitu siniaaltoinvertteri porrastetuilla siniaaloilla. Toisin sanoen näiden invertterien lähtösignaalit kasvavat vähitellen positiivisesti. Positiivisen huipun saavuttamisen jälkeen lähtösignaali pienenee vähitellen, kunnes se saavuttaa negatiivisen huipun, kuten kuvassa näkyy.
Kvasisiniaaltoinvertterin rakenne on paljon yksinkertaisempi kuin puhdas siniaaltoinvertteri, mutta monimutkaisempi kuin puhdas neliöaaltoinvertteri.
Vaikka näiden invertterien lopullinen lähtöaaltomuoto ei ole puhdas siniaalto, lähdön harmoninen särö on silti pienentynyt 24 %:iin. Suodatus vähentää vääristymiä entisestään, mutta vääristymän määrä on silti merkittävä. Tästä syystä nämä invertterit eivät ole ensisijainen valinta erilaisten kuormien, mukaan lukien elektronisten piirien, ohjaamiseen.
Kvasisiniaallot voivat vaurioittaa pysyvästi elektronisia laitteita, joissa on ajastimet piirissä. Jos ne on kytketty kvasisiniaaltoinvertteriin, kaikki moottorilla varustetut sähkölaitteet eivät toimi yhtä tehokkaasti kuin puhtaaseen siniaaltoinvertteriin kytketyt. Lisäksi nopeat aaltomuodon muutokset voivat aiheuttaa kohinaa. Näistä ongelmista johtuen kvasisiniaaltoinvertterien käyttö on rajoitettua.
Puhdas siniaaltoinvertteri
Puhdas sini-invertteri muuntaa tasavirran lähes puhtaaksi sinivaihtovirraksi. Puhtaan siniaaltoinvertterin lähtöaaltomuoto ei vieläkään ole ihanteellinen siniaalto, mutta se on paljon tasaisempi kuin neliöaalto- ja kvasisiniaaltoinvertterit.
Puhtaan siniaaltoinvertterin lähtöaaltomuodossa on erittäin alhaiset harmoniset. Yliaallot ovat siniaaltoja, joissa on parittomat kerrannaiset eri amplitudien perustaajuudesta. Yliaallot ovat erittäin epäsuosittuja, koska ne voivat aiheuttaa vakavia ongelmia erilaisissa sähkölaitteissa. Käyttämällä erilaisia PWM-tekniikoita ja ohjaamalla lähtösignaali alipäästösuodattimen läpi näitä harmonisia voidaan edelleen vähentää.
Puhtaiden siniaaltoinvertterien rakenne ja toiminta ovat paljon monimutkaisempia kuin neliöaalto- ja modifioidut neliöaaltoinvertterit.
Nämä invertterit ovat parempia kuin kaksi ensimmäistä invertteriä, koska useimmat sähkölaitteet tarvitsevat puhtaita siniaaltoja toimiakseen paremmin. Kuten aiemmin mainittiin, neliöaalto- tai lähes siniaaltoinvertterit voivat vahingoittaa sähkölaitteita, erityisesti moottoreilla varustettuja. Siksi käytännön käyttöön käytetään puhdasta sini-invertteriä.
7. Luokiteltu lähtötasojen lukumäärän mukaan
Minkä tahansa invertterin lähtötaso voi olla vähintään kaksi. Lähtötasojen lukumäärän mukaan invertterit jaetaan kahteen luokkaan: kaksitasoiset invertterit ja monitasoiset invertterit.
Kaksitasoinen invertteri
Kaksitasoisessa invertterissä on kaksi lähtötasoa. Lähtöjännite vaihtelee positiivisen ja negatiivisen välillä ja vuorottelee perustaajuudella (50 Hz tai 60 Hz).
Joidenkin niin sanottujen "kaksitasoisten invertterien" lähtöaaltomuodossa on kolme tasoa. Syy kolmitasoisten invertterien luokitteluun tähän luokkaan on se, että yksi tasoista on nollajännite. Itse asiassa nolla on kolmas taso, mutta se luokitellaan silti kaksivaiheiseksi invertteriksi.
Kaksitasoinen invertteripiiri koostuu lähteestä ja joistakin kytkimistä, jotka ohjaavat virtaa tai jännitettä. Kytkinhäviöiden ja laitteiden nimellisarvojen rajoituksista johtuen kaksitasoisten invertterien suurtaajuuskäyttö suurjännitesovelluksissa on rajoitettua. Kytkimen nimellisarvoa voidaan kuitenkin kasvattaa sarja- ja rinnakkaisyhdistelmillä. Kytkinryhmää, joka tarjoaa positiivisen puolijakson kaksitasoisessa invertterissä, kutsutaan positiiviseksi ryhmäkytkimeksi, kun taas toista kytkinryhmää, joka tarjoaa negatiivisen puolijakson, kutsutaan negatiiviseksi ryhmäkytkimeksi.
Seuraavista syistä johtuen kaksitasoista invertteriä ei suositella. Invertterit vaativat vähimmäismäärän kytkimiä ja virtalähteitä toimiakseen ja muuntaakseen tehoa pienin jänniteaskelin. Pienempi jänniteporras tarjoaa korkealaatuisia aaltomuotoja. Lisäksi se voi myös vähentää jännitteen (dv/dt) jännitystä ja kuorman sähkömagneettista yhteensopivuusongelmia. Siksi monitasoiset invertterit ovat käytännöllisempi ensimmäinen valinta.
Monitasoinen invertteri (MLI)
Monitasoinen invertteri muuntaa DC-signaalit monitasoisiksi porrastetuiksi aaltomuodoiksi. Monitasoisen invertterin lähtöaaltomuoto ei ole suoraan positiivinen ja negatiivinen vuorotteleva, vaan monitasoinen vuorotteleva. Johtuen siitä, että aaltomuodon tasaisuus on suoraan verrannollinen jännitetasojen lukumäärään. Siksi monitasoiset invertterit tuottavat tasaisempia aaltomuotoja. Kuten aiemmin mainittiin, tämä ominaisuus tekee siitä sopivan käytännön sovelluksiin.
Johtopäätös:
Tässä artikkelissa esitellään 17 päätyyppiä invertterit, mutta itse asiassa on olemassa monia muita taajuusmuuttajien luokituksia. Esimerkiksi monitasoiset invertterit voidaan jakaa myös lentäviin kondensaattoriinvertteriin (FCMI), diodikiinnitettyihin inverttereihin (DCMI) ja kaskadoituihin H-siltainvertteriin.
Käytännön sovelluksen näkökulmasta kolmivaiheiset invertterit soveltuvat korkean kuormituksen sovelluksiin, puhtaat siniinvertterit voivat paremmin suojata sähkölaitteita ja monitasoiset invertterit ovat käytännöllisempiä valintoja.