Preokrenite ispravljački krug, spojite jedan kraj na istosmjernu struju (DC), a drugi kraj može izvoditi izmjeničnu struju (AC). Ovo je inverter, uređaj koji istosmjernu struju pretvara u izmjeničnu.
Većina komercijalnih, industrijskih i stambenih opterećenja zahtijevaju izmjeničnu struju, ali se izmjenična struja ne može pohraniti u baterije, a pohrana baterija je važna za rezervno napajanje. Danas se ovaj nedostatak može prevladati istosmjernim napajanjem.
Polaritet istosmjerne struje ne mijenja se tijekom vremena kao kod izmjenične struje, tako da se istosmjerna struja može pohraniti u baterije i superkondenzatore. Dakle, prvo možemo pretvoriti izmjeničnu struju u istosmjernu, a zatim je pohraniti u bateriju. Na taj način, kad god je potrebna izmjenična struja za rad izmjeničnih uređaja, istosmjerna struja će se pretvoriti natrag u izmjeničnu struju za rad izmjeničnih uređaja.
Prema ulaznom izvoru, načinu spajanja, valnom obliku izlaznog napona, itd. primjene, pretvarači se dijele u sljedećih 17 glavnih kategorija.
1. Razvrstaj prema izvoru unosa
Ulaz pretvarača može biti izvor napona ili izvor struje, pa se dijeli na pretvarače izvora napona (VSI) i pretvarače izvora struje (CSI).
Inverter izvora napona (VSI)
Kada je ulaz pretvarača izvor konstantnog istosmjernog napona, pretvarač se naziva pretvarač izvora napona.
Ulaz pretvarača izvora napona ima kruti istosmjerni izvor napona s nultom impedancijom. Zapravo, impedancija izvora istosmjernog napona može se zanemariti. Pod pretpostavkom da se VSI napaja iz idealnog izvora napona (izvor ekstremno niske impedancije), AC izlazni napon u potpunosti je određen stanjem sklopnih uređaja u pretvaraču i primijenjenim istosmjernim napajanjem.
Izmjenjivač struje (CSI)
Kada je ulaz pretvarača izvor konstantne istosmjerne struje, pretvarač se naziva pretvarač izvora struje.
Kruta struja dovodi se iz istosmjernog izvora napajanja u CSI, gdje istosmjerni izvor napajanja ima visoku impedanciju. Obično se za postizanje krutih struja koriste veliki induktori ili upravljačke struje zatvorene petlje. Rezultirajući strujni val je krut i na njega ne utječe opterećenje. Izlazna izmjenična struja u potpunosti je određena sklopnim uređajima u pretvaraču i stanjem primijenjenog istosmjernog napajanja.
2. Razvrstaj po izlaznoj fazi
Prema izlaznom naponu i fazi struje, pretvarači se uglavnom dijele u dvije kategorije: jednofazni pretvarači i trofazni pretvarači.
Jednofazni pretvarač
Jednofazni pretvarač pretvara istosmjerni ulaz u jednofazni izlaz. Izlazni napon/struja jednofaznog pretvarača ima samo jednu fazu, a nazivna frekvencija mu je nazivni napon od 50Hz ili 60Hz.
Nazivni napon je definiran kao razina napona na kojoj električni sustav radi. Postoje različiti nazivni naponi, naime 120V, 220V, 440V, 690V, 3,3KV, 6,6KV, 11kV, 33kV, 66kV, 132kV, 220kV, 400kV i 765kV. Niski nazivni napon može se izravno postići upotrebom internih transformatora ili pretvarača s boost i buck krugovima, dok se za visoki nazivni napon koriste vanjski boost transformatori.
Jednofazni pretvarači koriste se za mala opterećenja. Jednofazni gubici su veći, a jednofazna učinkovitost niža od trofaznih pretvarača. Stoga su trofazni pretvarači poželjan izbor za velika opterećenja.
Trofazni pretvarač
Trofazni inverter pretvara istosmjernu struju u trofaznu. Trofazno napajanje osigurava tri kanala izmjenične struje s ravnomjerno odvojenim faznim kutovima. Amplituda i frekvencija sva tri vala generirana na kraju izlaza su iste, ali malo variraju zbog opterećenja, a svaki val ima fazni pomak od 120 stupnjeva među sobom.
U osnovi, jedan trofazni pretvarač sastoji se od tri jednofazna pretvarača, svaki s faznim razmakom od 120 stupnjeva, a svaki jednofazni pretvarač spojen je na jedan od tri priključka opterećenja.
3. Klasificirano prema tehnologiji komutacije
Prema komutacijskoj tehnologiji, može se podijeliti u dvije glavne vrste: linijski komutacijski pretvarači i pretvarači s prisilnom komutacijom. Osim toga, mogu postojati pomoćni komutacijski izmjenjivači i komplementarni komutacijski izmjenjivači, ali kako se oni ne koriste uobičajeno, ovdje ćemo ukratko raspraviti dva glavna tipa.
Preokret linije
U ovim tipovima pretvarača, linijski napon izmjeničnog kruga može se dobiti pomoću opreme; Kada struja u SCR-u doživi nultu karakteristiku, uređaj se isključuje. Ovaj proces komutacije naziva se linijska komutacija, a pretvarači koji rade na ovom principu nazivaju se linijski komutacijski izmjenjivači.
Prisilna komutacija
U ovoj vrsti komutacije, neće biti nulte točke u napajanju. Zato su potrebni neki vanjski izvori za ispravljanje uređaja. Ovaj proces komutacije naziva se prisilna komutacija, a pretvarači koji se temelje na ovom procesu nazivaju se pretvarači s prisilnom komutacijom.
4. Klasificirano prema načinu povezivanja
Prema načinu povezivanja tiristora u strujnom krugu, može se podijeliti na serijske pretvarače, paralelne pretvarače i mosne pretvarače, među kojima se mosni pretvarači dalje dijele na polumostne, pune mostove i trofazne mostove.
Serijski pretvarač
Serijski pretvarač sastoji se od para tiristora i RLC (otpor, induktivitet i kapacitet) krugova. Jedan tiristor je spojen paralelno s RLC krugom, a jedan tiristor je spojen u seriju između istosmjernog napajanja i RLC kruga. Ovaj tip izmjenjivača naziva se serijski izmjenjivač jer je opterećenje izravno spojeno u seriju s izvorom istosmjerne struje uz pomoć tiristora.
Serijski pretvarači također su poznati kao samokomutirajući pretvarači jer se tiristori ove vrste pretvarača sami komutiraju pod opterećenjem. Drugi naziv za ovaj pretvarač je 'pretvarač s komutacijom opterećenja'. Razlog za davanje ovog naziva je taj što je LCR opterećenje koje osigurava komutaciju.
Paralelni pretvarač
Paralelni pretvarač sastoji se od dva tiristora, kondenzatora, transformatora sa središnjim odvodom i induktora. Tiristori se koriste za osiguravanje staze za protok struje, dok se induktori koriste za održavanje izvora struje konstantnim. Provođenjem i isključivanjem ovih tiristora upravljaju komutacijski kondenzatori spojeni između njih.
Naziva se paralelni pretvarač jer je u radu kondenzator spojen paralelno s opterećenjem preko transformatora.
Polumostni pretvarač
Polumostni pretvarač zahtijeva dvije elektroničke sklopke za rad. Prekidači mogu biti MOSFET, IJBT, BJT ili tiristori.Polumost s tiristorskim i BJT sklopkama zahtijeva dvije dodatne diode, osim za čista otporna opterećenja, dok MOSFET-ovi imaju ugrađene diode. Ukratko, dvije sklopke su dovoljne da zadovolje čista otporna opterećenja, dok druga opterećenja (induktori i kondenzatori) zahtijevaju dvije dodatne diode. Te se diode nazivaju povratne diode ili diode slobodnog hoda.
Princip rada polumosnog pretvarača isti je za sve sklopke, ali ovdje govorimo o polumosnom pretvaraču s tiristorskim prekidačima. Postoje dva komplementarna tiristora, što znači da tiristor provodi jedan po jedan. Za otporna opterećenja, krug radi u dva načina. Frekvencija prebacivanja će odrediti izlaznu frekvenciju. Kada je izlazna frekvencija 50 HZ, svaki tiristor provodi jednom tijekom 20 ms.
Pretvarač punog mosta
Jednofazni pretvarač punog mosta ima četiri kontrolirana prekidača koji se koriste za kontrolu smjera protoka struje u opterećenju. Ovaj most ima 4 povratne diode koje mogu vratiti energiju pohranjenu u opterećenju izvoru napajanja. Ove povratne diode funkcioniraju samo kada su svi tiristori isključeni i opterećenje nije čisto otporno opterećenje.
Za bilo koje opterećenje, samo 2 tiristora rade istovremeno. Tiristori T1 i T2 će provoditi u jednom ciklusu, dok će T3 i T4 provoditi u drugom ciklusu. Drugim riječima, kada su T1 i T2 u stanju ON, T3 i T4 su u stanju OFF, dok kada su T3 i T4 u stanju ON, druga dva su u stanju OFF. Otvaranje dva ili više tiristora odjednom može uzrokovati kratki spoj, generirati prekomjernu toplinu i odmah pregorjeti krug.
Trofazni mostni pretvarač
Industrijska i druga teška opterećenja zahtijevaju trofazno napajanje. Za rad s ovim velikim opterećenjima iz uređaja za pohranu ili drugih izvora istosmjerne struje potreban je trofazni pretvarač. U tu svrhu može se koristiti trofazni premosni pretvarač.
Trofazni premosni pretvarač je druga vrsta premosnog pretvarača, koji se sastoji od 6 kontroliranih sklopki i 6 dioda, kao što je prikazano na slici.
5. Klasificirano prema načinu rada
Prema načinu rada pretvarači se dijele u tri glavne kategorije:
Neovisni pretvarač
Neovisni pretvarač je izravno povezan s opterećenjem i neće ga prekidati drugi izvori napajanja. Neovisni inverter ili "inverter izvan mreže", pretvarač opskrbljuje struju neovisno o opterećenju bez utjecaja mreže ili drugih izvora energije.
Ovi pretvarači nazivaju se pretvaračima izvan mreže jer na njih ne utječe električna mreža. Ovi pretvarači se ne mogu spojiti na električnu mrežu jer nemaju mogućnost sinkronizacije, pri čemu je sinkronizacija proces usklađivanja faze i nazivne frekvencije (50/60 Hz) dva izvora izmjenične struje.
Inverter spojen na mrežu
Inverteri povezani na mrežu ili pretvarači povezani na mrežu (GTI) imaju dvije glavne funkcije. Jedna od funkcija mrežno spojenih pretvarača je osigurati izmjenično napajanje iz uređaja za pohranu (istosmjerni izvori napajanja) za izmjenična opterećenja, dok je druga funkcija mrežno spojenih pretvarača osigurati dodatno napajanje u mrežu.
Mrežni pretvarači, također poznati kao komunalni interaktivni pretvarači, mrežni međusobno povezani pretvarači ili mrežni povratni pretvarači, sinkroniziraju frekvenciju i fazu struje kako bi se prilagodili komunalnoj mreži. Povećanjem razine napona pretvarača, snaga se prenosi iz izvora istosmjerne struje u električnu mrežu.
Dvostruki vršni pretvarač
Dvostruki vršni pretvarač može raditi i kao pretvarač spojen na mrežu i kao neovisni pretvarač. Ovi pretvarači mogu unijeti dodatnu energiju iz obnovljivih izvora energije i uređaja za pohranu u mrežu te preuzeti električnu energiju iz mreže kada je energija proizvedena obnovljivom energijom nedostatna. Drugim riječima, ovi pretvarači mogu raditi kao neovisni pretvarači i pretvarači spojeni na mrežu prema zahtjevima opterećenja. Dvostruki vršni pretvarači su višenamjenski, uključujući funkcije nezavisnih pretvarača i pretvarača spojenih na mrežu.
Funkcija dvostrukog vršnog pretvarača ovisit će o opterećenju. Ako postoji problem s električnom mrežom ili kada je snaga obnovljive energije dovoljna da podmiri opterećenje, njegova funkcija će se promijeniti u neovisni pretvarač (postaje neovisni pretvarač). U tom će slučaju sklopka za prijenos isključiti pretvarač iz mreže.
Nakon što obnovljiva energija počne generirati dodatnu energiju, način rada će se prebaciti iz neovisnog načina rada u način priključen na mrežu. Inverter sinkronizira svoju fazu i frekvenciju s inverterom i počinje ubrizgavati dodatnu energiju u mrežu.
6. Klasificirajte prema izlaznom valu
Idealni pretvarač odnosi se na pretvarač koji pretvara istosmjerne signale u čiste sinusoidalne izmjenične izlaze. Problem sa stvarnim pretvaračima je taj što njihovi izlazni signali nisu čisto sinusoidalni. Prema izlaznom valu pretvarači se dijele u tri kategorije:
Inverter kvadratnog vala
Ovo su najjednostavniji pretvarači za pretvaranje istosmjerne struje u izmjeničnu struju, ali izlazni valni oblik nije potreban čisti sinusni val. Ovi pretvarači imaju kvadratne valove na kraju izlaza. Drugim riječima, ovi pretvarači pretvaraju istosmjerni ulaz u izmjenični u obliku kvadratnih valova. U međuvremenu, izmjenjivači kvadratnog vala također su jeftiniji.
Najjednostavnija struktura ovih pretvarača može biti pretvarač H-mosta. Kao što je prikazano na slici, pomoću SPDT (single push double throw) prekidača prije transformatora može se postići jednostavnija verzija. Ovaj transformator će također pomoći u postizanju željene razine izlaznog napona.
Rad danog modela je krajnje jednostavan. Jednostavno uključivanje i isključivanje prekidača istovremeno će promijeniti struju na izlaznom terminalu. Drugim riječima, prebacivanje jednopolnog dvostrukog bacanja na željenu frekvenciju će generirati AC kvadratne valove na izlazu tipičnog pretvarača (tj. transformatora sa središnjim odvodom). Harmonijsko izobličenje tipičnog sinusnog vala je oko 45%, što se može dodatno smanjiti upotrebom filtara za filtriranje nekih harmonika.
Kvazi sinusni pretvarač
Kvazi sinusni pretvarač, također poznat kao modificirani sinusni pretvarač sa stepenastim sinusnim valovima. Drugim riječima, izlazni signali ovih pretvarača postupno povećavaju pozitivan polaritet. Nakon postizanja pozitivnog vrha, izlazni signal se postupno smanjuje dok ne dosegne negativni vrh, kao što je prikazano na slici.
Struktura pretvarača s kvazi sinusnim valom puno je jednostavnija od pretvarača s čistim sinusnim valom, ali je složenija od izmjenjivača s pravokutnim valom.
Iako konačni izlazni valni oblik ovih pretvarača nije čisti sinusni val, harmonijska distorzija izlaza ipak je smanjena na 24%. Filtriranje će dodatno smanjiti izobličenje, ali je količina izobličenja još uvijek značajna. Iz tog razloga, ovi pretvarači nisu preferirani izbor za pokretanje različitih opterećenja, uključujući elektroničke sklopove.
Kvazi sinusni valovi mogu trajno oštetiti elektroničke uređaje s mjeračima vremena u krugu. Ako su spojeni na kvazi sinusni pretvarač, svi električni uređaji s motorima neće raditi tako učinkovito kao oni spojeni na čisti sinusni pretvarač. Osim toga, brzi prijelazi valnog oblika mogu uzrokovati šum. Zbog ovih problema, primjena kvazi sinusnih izmjenjivača je ograničena.
Čisti sinusni pretvarač
Čisti sinusni pretvarač pretvara istosmjernu struju u gotovo čistu sinusnu izmjeničnu struju. Izlazni valni oblik pretvarača s čistim sinusnim valom još uvijek nije idealan sinusni val, ali je mnogo uglađeniji od izmjenjivača pravokutnog vala i kvazi sinusnog izmjenjivača.
Izlazni valni oblik pretvarača čistog sinusnog vala ima izuzetno niske harmonike. Harmonici su sinusni valovi s neparnim višekratnicima osnovne frekvencije različitih amplituda. Harmonici su vrlo nepopularni jer mogu izazvati ozbiljne probleme s raznim električnim uređajima. Korištenjem različitih PWM tehnika i zatim propuštanjem izlaznog signala kroz niskopropusni filtar, ti se harmonici mogu dodatno smanjiti.
Konstrukcija i rad izmjenjivača s čistim sinusnim valom mnogo su složeniji od izmjenjivača s kvadratnim valom i modificiranih izmjenjivača s kvadratnim valom.
Ovi pretvarači su bolji od prva dva pretvarača jer većina električne opreme zahtijeva čiste sinusne valove za bolji rad. Kao što je ranije spomenuto, izmjenjivači kvadratnog ili kvazi sinusnog vala mogu oštetiti električne uređaje, osobito one opremljene motorima. Stoga se za praktičnu upotrebu koristi čisti sinusni pretvarač.
7. Klasificirano prema broju izlaznih razina
Izlazna razina bilo kojeg pretvarača može biti najmanje dvije ili više. Prema broju izlaznih razina pretvarači se dijele u dvije kategorije: dvorazinski pretvarači i višerazinski pretvarači.
Dvorazinski pretvarač
Dvorazinski pretvarač ima dvije izlazne razine. Izlazni napon se izmjenjuje između pozitivnog i negativnog i mijenja se na osnovnoj frekvenciji (50 Hz ili 60 Hz).
Neki takozvani 'izmjenjivači s dvije razine' imaju tri razine u svom izlaznom valu. Razlog za svrstavanje trorazinskih pretvarača u ovu kategoriju je taj što je jedna od razina nulti napon. Zapravo, nula je treća razina, ali je još uvijek klasificirana kao dvostupanjski pretvarač.
Dvorazinski inverterski sklop sastoji se od izvora i nekih sklopki koje kontroliraju struju ili napon. Zbog ograničenja gubitaka prekidača i vrijednosti uređaja, visokofrekventni rad pretvarača s dvije razine u visokonaponskim aplikacijama je ograničen. Međutim, nazivna vrijednost prekidača može se povećati serijskim i paralelnim kombinacijama. Grupa sklopki koje daju pozitivnu poluciklu u dvorazinskom pretvaraču naziva se pozitivna grupna sklopka, dok se druga skupina sklopki koja daje negativnu poluciklu naziva negativna grupna sklopka.
Zbog sljedećih razloga dvorazinski pretvarač nije poželjan. Pretvarači zahtijevaju minimalan broj prekidača i izvora napajanja za rad i pretvaranje energije u malim koracima napona. Manji korak napona osigurat će valne oblike visoke kvalitete. Osim toga, također može smanjiti napon (dv/dt) stres i probleme s elektromagnetskom kompatibilnošću na opterećenju. Stoga su pretvarači s više razina praktičniji prvi izbor.
Višerazinski pretvarač (MLI)
Pretvarač s više razina pretvara istosmjerne signale u valne oblike s više razina. Izlazni valni oblik višerazinskog pretvarača nije izravno pozitivan i negativan izmjenični, već višerazinski izmjenični. Zbog činjenice da je glatkoća valnog oblika izravno proporcionalna broju naponskih razina. Stoga će pretvarači s više razina proizvesti glatkije valne oblike. Kao što je ranije spomenuto, ova karakteristika ga čini prikladnim za praktičnu primjenu.
Zaključak:
Ovaj članak predstavlja 17 glavnih tipova pretvarača, ali zapravo postoje mnoge druge klasifikacije pretvarača. Na primjer, pretvarači s više razina također se mogu podijeliti na pretvarače s letećim kondenzatorom (FCMI), pretvarače s diodama (DCMI) i pretvarače s kaskadnim H-mosnim pretvaračima.
Iz perspektive praktične primjene, trofazni pretvarači prikladni su za aplikacije s visokim opterećenjem, čisti sinusni pretvarači mogu bolje zaštititi električne uređaje, a višerazinski pretvarači praktičniji su izbor.