Otočte usměrňovací obvod, připojte jeden konec na stejnosměrný proud (DC) a druhý konec může vést střídavý proud (AC). Jedná se o invertor, zařízení, které převádí stejnosměrný proud na střídavý proud.
Většina komerčních, průmyslových a rezidenčních zátěží vyžaduje střídavý proud, ale střídavý proud nelze skladovat v bateriích a bateriové úložiště je důležité pro záložní napájení. V dnešní době lze tuto závadu překonat stejnosměrným zdrojem.
Polarita stejnosměrného napájení se v průběhu času nemění jako u střídavého proudu, takže stejnosměrný proud může být uložen v bateriích a superkondenzátorech. Můžeme tedy nejprve převést střídavý proud na stejnosměrný a poté jej uložit do baterie. Tímto způsobem, kdykoli je k provozu spotřebičů se střídavým proudem potřeba střídavý proud, stejnosměrný proud se převede zpět na střídavý proud pro provoz střídavých spotřebičů.
Podle vstupního zdroje, způsobu připojení, průběhu výstupního napětí atd. aplikace jsou měniče rozděleny do následujících 17 hlavních kategorií.
1. Klasifikujte podle vstupního zdroje
Vstupem měniče může být zdroj napětí nebo proudový zdroj, proto se dělí na měniče zdroje napětí (VSI) a měniče zdroje proudu (CSI).
Invertor zdroje napětí (VSI)
Když je vstupem měniče zdroj konstantního stejnosměrného napětí, nazývá se měnič měničem zdroje napětí.
Vstup střídače zdroje napětí má tuhý zdroj stejnosměrného napětí s nulovou impedancí. Ve skutečnosti lze impedanci zdroje stejnosměrného napětí ignorovat. Za předpokladu, že VSI je napájeno ideálním zdrojem napětí (zdroj s extrémně nízkou impedancí), je výstupní střídavé napětí zcela určeno stavem spínacích zařízení ve střídači a použitým stejnosměrným napájením.
Invertor aktuálního zdroje (CSI)
Když je vstupem měniče zdroj konstantního stejnosměrného proudu, měnič se nazývá měnič zdroje proudu.
Pevný proud je přiváděn ze stejnosměrného napájecího zdroje do CSI, kde má stejnosměrný napájecí zdroj vysokou impedanci. Obvykle se k zajištění tuhých proudů používají velké induktory nebo řídicí proudy s uzavřenou smyčkou. Výsledná proudová vlna je tuhá a není ovlivněna zátěží. Výstupní střídavý proud je zcela určen spínacími zařízeními ve střídači a stavem stejnosměrného napájecího zdroje.
2. Klasifikujte podle výstupní fáze
Podle výstupního napětí a proudové fáze se střídače dělí především do dvou kategorií: jednofázové střídače a třífázové střídače.
Jednofázový měnič
Jednofázový měnič převádí stejnosměrný vstup na jednofázový výstup. Výstupní napětí/proud jednofázového měniče má pouze jednu fázi a jeho jmenovitá frekvence je jmenovité napětí 50Hz nebo 60Hz.
Jmenovité napětí je definováno jako úroveň napětí, při které elektrický systém pracuje. Existují různá jmenovitá napětí, konkrétně 120V, 220V, 440V, 690V, 3,3KV, 6,6KV, 11kV, 33kV, 66kV, 132kV, 220kV, 400kV a 765kV. Nízkého jmenovitého napětí lze přímo dosáhnout použitím interních transformátorů nebo invertorů s obvody boost a buck, zatímco pro vysoké jmenovité napětí se používají externí transformátory boost.
Jednofázové měniče se používají pro nízké zatížení. Jednofázové ztráty jsou vyšší a účinnost jednofázového měniče je nižší než u třífázových měničů. Pro vysoké zatížení jsou proto preferovanou volbou třífázové měniče.
Třífázový měnič
Třífázový měnič převádí stejnosměrný proud na třífázový výkon. Třífázový napájecí zdroj poskytuje tři kanály střídavého proudu s rovnoměrně oddělenými fázovými úhly. Amplituda a frekvence všech tří vln generovaných na výstupním konci jsou stejné, ale mírně se liší v důsledku zatížení a každá vlna má mezi sebou fázový posun o 120 stupňů.
V zásadě se jeden třífázový měnič skládá ze tří jednofázových měničů, každý s fázovou vzdáleností 120 stupňů, a každý jednofázový měnič je připojen k jedné ze tří zátěžových svorek.
3. Klasifikace podle komutační technologie
Podle komutační technologie jej lze rozdělit na dva hlavní typy: střídače s komutací a nucenou komutací. Kromě toho mohou existovat pomocné komutační měniče a doplňkové komutační měniče, ale protože se běžně nepoužívají, stručně zde probereme dva hlavní typy.
Obrácení linky
U těchto typů měničů lze síťové napětí střídavého obvodu získat prostřednictvím zařízení; Když má proud v SCR nulovou charakteristiku, zařízení se vypne. Tento komutační proces se nazývá linková komutace a měniče, které pracují na tomto principu, se nazývají linkové komutační invertory.
Nucená komutace
Při tomto typu komutace nebude v napájecím zdroji žádný nulový bod. Proto jsou k nápravě zařízení potřeba nějaké externí zdroje. Tento proces komutace se nazývá nucená komutace a měniče založené na tomto procesu se nazývají invertory s nucenou komutací.
4. Klasifikace podle způsobu připojení
Podle způsobu zapojení tyristorů v obvodu jej lze rozdělit na sériové měniče, paralelní měniče a můstkové měniče, mezi nimiž se můstkové měniče dále dělí na poloviční můstek, plný můstek a třífázový můstek.
Sériový měnič
Sériový měnič se skládá z dvojice tyristorů a obvodů RLC (odpor, indukčnost a kapacita). Jeden tyristor je zapojen paralelně s obvodem RLC a jeden tyristor je zapojen sériově mezi stejnosměrné napájení a obvod RLC. Tento typ měniče se nazývá sériový měnič, protože zátěž je přímo zapojena do série se stejnosměrným zdrojem energie pomocí tyristorů.
Sériové měniče jsou také známé jako měniče s vlastní komutací, protože tyristory tohoto typu měniče jsou samy komutovány zátěží. Jiný název pro tento střídač je 'střídač s komutací zátěže'. Důvodem pro tento název je, že LCR je zátěž, která zajišťuje komutaci.
Paralelní invertor
Paralelní střídač se skládá ze dvou tyristorů, kondenzátoru, středového odbočovacího transformátoru a induktoru. Tyristory se používají k zajištění cesty pro tok proudu, zatímco induktory se používají k udržení konstantního zdroje proudu. Vedení a vypínání těchto tyristorů je řízeno mezi nimi zapojenými komutačními kondenzátory.
Nazývá se paralelní střídač, protože při provozu je kondenzátor připojen paralelně k zátěži přes transformátor.
Střídač polovičního můstku
Střídač s polovičním můstkem vyžaduje k provozu dva elektronické spínače. Spínače mohou být MOSFETy, IJBT, BJT nebo tyristory.Poloviční můstek s tyristorem a spínači BJT vyžaduje dvě další diody, s výjimkou čistě odporových zátěží, zatímco MOSFETy mají vestavěné diody. Stručně řečeno, dva spínače stačí ke splnění čistě odporové zátěže, zatímco ostatní zátěže (tlumivky a kondenzátory) vyžadují dvě další diody. Tyto diody se nazývají zpětnovazební diody nebo volnoběžné diody.
Princip činnosti polomůstkového invertoru je stejný pro všechny spínače, ale zde diskutujeme poloviční můstek s tyristorovými spínači. Existují dva komplementární tyristory, což znamená, že vedou vždy jeden tyristor. Pro odporové zátěže obvod pracuje ve dvou režimech. Spínací frekvence určí výstupní frekvenci. Když je výstupní frekvence 50 Hz, každý tyristor vede jednou po dobu 20 ms.
Plný můstkový invertor
Jednofázový plně můstkový střídač má čtyři ovládané spínače sloužící k ovládání směru toku proudu v zátěži. Tento můstek má 4 zpětnovazební diody, které mohou zpětně dodávat energii uloženou v zátěži do napájecího zdroje. Tyto zpětnovazební diody fungují pouze tehdy, když jsou všechny tyristory vypnuté a zátěž není čistě odporová.
Při jakékoli zátěži pracují současně pouze 2 tyristory. Tyristory T1 a T2 povedou v jednom cyklu, zatímco T3 a T4 povedou v jiném cyklu. Jinými slovy, když jsou T1 a T2 ve stavu ON, T3 a T4 jsou ve stavu OFF, zatímco když jsou T3 a T4 ve stavu ON, ostatní dva jsou ve stavu OFF. Otevření dvou nebo více tyristorů najednou může způsobit zkrat, generovat nadměrné teplo a okamžitě spálit obvod.
Třífázový můstkový střídač
Průmyslové a jiné těžké zátěže vyžadují třífázové napájení. Aby bylo možné provozovat tyto těžké zátěže z úložných zařízení nebo jiných zdrojů stejnosměrného proudu, je nutný třífázový střídač. K tomuto účelu lze použít třífázový můstkový střídač.
Třífázový můstkový invertor je jiný typ můstkového invertoru, který se skládá ze 6 ovládaných spínačů a 6 diod, jak je znázorněno na obrázku.
5. Klasifikováno podle provozního režimu
Podle provozního režimu se střídače dělí do tří hlavních kategorií:
Nezávislý střídač
Nezávislý střídač je přímo připojen k zátěži a nebude přerušován jinými zdroji energie. Nezávislý střídač nebo "střídač v režimu off grid", střídač dodává energii do zátěže nezávisle, aniž by byl ovlivněn sítí nebo jinými zdroji energie.
Tyto střídače se nazývají střídače v režimu mimo síť, protože nejsou ovlivněny rozvodnou sítí. Tyto střídače nelze připojit k veřejné rozvodné síti, protože nemají schopnost synchronizace, kde synchronizace je proces přizpůsobení fáze a jmenovité frekvence (50/60 Hz) dvou zdrojů střídavého proudu.
Střídač připojený k síti
Střídače připojené k síti nebo střídače připojené k síti (GTI) mají dvě hlavní funkce. Jednou funkcí střídačů připojených k síti je poskytovat střídavý proud z úložných zařízení (zdrojů stejnosměrného proudu) do střídavých zátěží, zatímco další funkcí střídačů připojených k síti je poskytovat dodatečný výkon do sítě.
Střídače připojené k síti, známé také jako utilitní interaktivní střídače, střídače pro propojení sítě nebo střídače se zpětnou vazbou k síti, synchronizují frekvenci a fázi proudu, aby se přizpůsobily veřejné rozvodné síti. Zvýšením úrovně napětí střídače se energie přenáší ze zdroje stejnosměrného proudu do veřejné rozvodné sítě.
Dual peak invertor
Duální špičkový střídač může fungovat jako střídač připojený k síti i jako nezávislý střídač. Tyto střídače mohou dodávat dodatečnou energii z obnovitelných zdrojů energie a akumulačních zařízení do sítě a získávat elektřinu ze sítě, když je energie generovaná obnovitelnými zdroji nedostatečná. Jinými slovy, tyto střídače mohou fungovat jako nezávislé střídače a střídače připojené k síti podle požadavků zátěže. Střídače Dual Peak jsou multifunkční, včetně funkcí nezávislých střídačů a střídačů připojených k síti.
Funkce dvoušpičkového invertoru se bude lišit podle zatížení. Pokud dojde k problému s rozvodnou sítí nebo když výkon obnovitelné energie postačí k pokrytí zátěže, bude její funkce změněna na samostatný střídač (stane se samostatným střídačem). V tomto případě přepojovač odpojí střídač od sítě.
Jakmile obnovitelná energie začne generovat další energii, provozní režim se přesune z nezávislého režimu do režimu připojení k síti. Střídač synchronizuje svou fázi a frekvenci se střídačem a začne dodávat další energii do sítě.
6. Klasifikujte podle výstupního průběhu
Ideálním měničem se rozumí měnič, který převádí stejnosměrné signály na čistě sinusové střídavé výstupy. Problém skutečných měničů je v tom, že jejich výstupní signály nejsou čistě sinusové. Podle výstupního tvaru vlny se měniče dělí do tří kategorií:
Invertor čtvercových vln
Jedná se o nejjednodušší měniče pro přeměnu stejnosměrného proudu na střídavý, ale výstupní průběh není požadovaný čistý sinusový průběh. Tyto měniče mají na výstupním konci obdélníkové vlny. Jinými slovy, tyto invertory převádějí stejnosměrný vstup na střídavý ve formě obdélníkových vln. Mezitím jsou měniče čtvercových vln také levnější.
Nejjednodušší konstrukcí těchto střídačů může být střídač s H-můstkem. Jak je znázorněno na obrázku, pomocí přepínačů SPDT (single push double throw) lze před transformátorem dosáhnout jednodušší verze. Tento transformátor také pomůže dosáhnout jakékoli požadované úrovně výstupního napětí.
Obsluha daného modelu je extrémně jednoduchá. Jednoduchým zapnutím a vypnutím spínače se současně změní proud na výstupní svorce. Jinými slovy, přepínání jednopólového dvojitého házení na požadované frekvenci bude generovat střídavé obdélníkové vlny na výstupu typického invertoru (tj. středového odbočovacího transformátoru). Harmonické zkreslení typické sinusové vlny je asi 45 %, což lze dále snížit použitím filtrů k odfiltrování některých harmonických.
Kvazi sinusový měnič
Kvazi sinusový invertor, také známý jako modifikovaný sinusový invertor se stupňovitými sinusovými vlnami. Jinými slovy, výstupní signály těchto invertorů se postupně zvyšují v kladné polaritě. Po dosažení kladného vrcholu se výstupní signál postupně snižuje, dokud nedosáhne záporného vrcholu, jak je znázorněno na obrázku.
Struktura kvazi sinusového měniče je mnohem jednodušší než čistě sinusový měnič, ale složitější než čistě čtvercový měnič.
Přestože konečný výstupní průběh těchto měničů není čistý sinusový průběh, harmonické zkreslení výstupu je stále sníženo na 24 %. Filtrování dále sníží zkreslení, ale míra zkreslení je stále významná. Z tohoto důvodu nejsou tyto měniče preferovanou volbou pro řízení různých zátěží, včetně elektronických obvodů.
Kvazi sinusové vlny mohou trvale poškodit elektronická zařízení s časovači v obvodu. Pokud jsou připojeny ke kvazi sinusovému měniči, nebudou všechny elektrické spotřebiče s motory pracovat tak efektivně jako ty, které jsou připojeny k čistě sinusovému měniči. Kromě toho mohou rychlé přechody křivek způsobit šum. Kvůli těmto problémům je použití kvazi sinusových měničů omezené.
Čistý sinusový měnič
Čistý sinusový měnič převádí stejnosměrný proud na téměř čistý sinusový střídavý proud. Výstupní průběh čistého sinusového měniče stále není ideální sinusový průběh, ale je mnohem hladší než u měničů s obdélníkovým a kvazi sinusovým průběhem.
Výstupní tvar vlny čistého sinusového měniče má extrémně nízké harmonické. Harmonické jsou sinusové vlny s lichými násobky základní frekvence různých amplitud. Harmonické jsou velmi neoblíbené, protože mohou způsobit vážné problémy s různými elektrospotřebiči. Použitím různých technik PWM a následným průchodem výstupního signálu přes dolní propust lze tyto harmonické dále snížit.
Konstrukce a provoz čistě sinusových měničů jsou mnohem složitější než čtvercové a modifikované čtvercové měniče.
Tyto měniče jsou lepší než první dva měniče, protože většina elektrických zařízení vyžaduje čisté sinusové vlny, aby fungovaly lépe. Jak již bylo zmíněno dříve, měniče s obdélníkovou nebo kvazi sinusovou vlnou mohou poškodit elektrické spotřebiče, zejména ty, které jsou vybaveny motory. Proto se pro praktické použití používá čistě sinusový měnič.
7. Klasifikováno podle počtu výstupních úrovní
Výstupní úroveň libovolného měniče může být alespoň dvě nebo více. Podle počtu výstupních úrovní se střídače dělí do dvou kategorií: dvouúrovňové střídače a víceúrovňové střídače.
Dvouúrovňový střídač
Dvouúrovňový měnič má dvě výstupní úrovně. Výstupní napětí se střídá mezi kladným a záporným pólem a střídá se na základní frekvenci (50 Hz nebo 60 Hz).
Některé takzvané „dvouúrovňové měniče“ mají ve svém výstupním průběhu tři úrovně. Důvodem pro zařazení tříúrovňových měničů do této kategorie je, že jedna z úrovní je nulové napětí. Ve skutečnosti je nula třetí úrovní, ale stále je klasifikována jako dvoustupňový měnič.
Dvouúrovňový invertorový obvod se skládá ze zdroje a některých spínačů, které řídí proud nebo napětí. Kvůli omezení ztrát spínačů a jmenovitých hodnot zařízení je vysokofrekvenční provoz dvouúrovňových měničů ve vysokonapěťových aplikacích omezen. Jmenovitou hodnotu spínače však lze zvýšit pomocí sériových a paralelních kombinací. Skupina spínačů, které poskytují kladný poloviční cyklus u dvouúrovňového měniče, se nazývá kladný skupinový spínač, zatímco druhá skupina spínačů, která poskytuje záporný poloviční cyklus, se nazývá záporný skupinový spínač.
Z následujících důvodů není preferován dvouúrovňový střídač. Střídače vyžadují minimální počet spínačů a zdrojů energie, aby fungovaly a převáděly energii v malých napěťových krocích. Menší krok napětí poskytne vysoce kvalitní průběhy. Kromě toho může také snížit napětí (dv/dt) a problémy s elektromagnetickou kompatibilitou zátěže. Proto jsou víceúrovňové měniče praktičtější první volbou.
Víceúrovňový invertor (MLI)
Víceúrovňový invertor převádí stejnosměrné signály na víceúrovňové stupňovité průběhy. Výstupní průběh víceúrovňového měniče není přímo kladně a záporně střídavý, ale víceúrovňový. Vzhledem k tomu, že hladkost průběhu je přímo úměrná počtu napěťových úrovní. Proto budou víceúrovňové měniče produkovat hladší průběhy. Jak již bylo zmíněno, tato vlastnost jej činí vhodným pro praktické aplikace.
Závěr:
Tento článek představuje 17 hlavních typů měničů, ale ve skutečnosti existuje mnoho dalších klasifikací měničů. Například víceúrovňové měniče lze také rozdělit na měniče s letmým kondenzátorem (FCMI), měniče s diodovými svorkami (DCMI) a kaskádové měniče s H-můstkem.
Z hlediska praktické aplikace jsou třífázové měniče vhodné pro aplikace s vysokým zatížením, čistě sinusové měniče mohou lépe chránit elektrické spotřebiče a víceúrovňové měniče jsou praktičtější volbou.