Úvod do různých typů střídačů

Zdroj střídavého proudu (AC) se používá téměř pro všechny obytné, komerční a průmyslové potřeby. Největší problém s AC však je, že jej nelze uložit pro budoucí použití. AC se tedy převede na DC a poté se DC uloží do baterií a ultrakondenzátorů. A nyní, kdykoli je potřeba střídavé napětí, se stejnosměrný proud znovu převede na střídavý proud, aby fungoval na střídavých zařízeních. Takže zařízení, které převádí stejnosměrné do AC se nazývá střídače. Střídač se používá k převodu stejnosměrného proudu na proměnný střídavý proud. Tato variace může být ve velikosti napětí, počtu fází, frekvence nebo fázového rozdílu.

Klasifikace střídače

Střídač lze rozdělit do mnoha typů podle výkonu, zdroje, typu zátěže atd. Níže je uvedena úplná klasifikace obvodů střídače:

(I) Podle výstupní charakteristiky

1. Invertor hranatých vln
2. Sinusový měnič
3. Modifikovaný sinusový měnič

(II) Podle zdroje střídače

1. Střídač proudu
2. Střídač zdroje napětí

(III) Podle typu nákladu

1. Jednofázový střídač
   1. Měnič polovičního mostu
   2. Full Bridge Inverter
2. Třífázový střídač
   1. Režim 180 stupňů
   2. 120stupňový režim

(IV) Podle jiné techniky PWM

1. Jednoduchá modulace šířky pulzu (SPWM)
2. Multiple Pulse Width Modulation (MPWM)
3. Modulace šířky sinusového pulzu (SPWM)
4. Modifikovaná sinusová modulace šířky pulzu (MSPWM)

(V) Podle počtu výstupních úrovní

1. Pravidelný dvouúrovňový střídač
2. Víceúrovňový střídač

Nyní o nich budeme diskutovat jeden po druhém. Zde můžete zkontrolovat vzorový obvod měniče 12v DC až 220v AC.

(I) Podle výstupní charakteristiky

Podle výstupní charakteristiky střídače mohou existovat tři různé typy střídačů.

• Invertor hranatých vln
• Sinusový měnič
• Modifikovaný sinusový měnič

1) Měnič čtvercových vln

Výstupní průběh napětí pro tento střídač je obdélníková vlna. Tento typ střídače se nejméně používá mezi všemi ostatními typy střídačů, protože všechna zařízení jsou navržena pro napájení sinusovými vlnami. Pokud dodáváme zařízení na bázi sinusových vln, může se poškodit nebo jsou ztráty velmi vysoké. Cena tohoto střídače je velmi nízká, ale aplikace je velmi vzácná. Lze jej použít v jednoduchých nástrojích s univerzálním motorem.

2) Sinusová vlna

Výstupní průběh napětí je sinusový a dává nám velmi podobný výstup jako napájecí zdroj. To je hlavní výhoda tohoto střídače, protože všechna zařízení, která používáme, jsou navržena pro sinusovou vlnu. Jedná se tedy o dokonalý výstup a zaručuje, že zařízení bude fungovat správně. Tento typ střídačů je dražší, ale široce se používá v obytných a komerčních aplikacích.

3) Modifikovaná sinusová vlna

Konstrukce tohoto typu střídače je složitější než jednoduchý střídač s obdélníkovými vlnami, ale ve srovnání s čistě sinusovým střídačem je jednodušší. Výstupem tohoto střídače není ani čistá sinusová vlna, ani obdélníková vlna. Výstupem takového střídače jsou některé ze dvou čtvercových vln. Výstupní křivka není přesně sinusová vlna, ale podobá se tvaru sinusové vlny.

(II) Podle zdroje střídače

• Střídač zdroje napětí
• Střídač proudu

1) Střídač proudu

V CSI je vstup aktuální zdroj. Tento typ střídačů se používá v průmyslových aplikacích vysokého napětí, kde jsou vysoce kvalitní průběhy proudu povinné. Ale CSI nejsou populární.

2) Střídač zdroje napětí

Ve VSI je vstup zdrojem napětí. Tento typ střídače se používá ve všech aplikacích, protože je efektivnější a má vyšší spolehlivost a rychlejší dynamickou odezvu. VSI je schopen běžet motory bez snížení výkonu.

(III) Podle typu nákladu

• Jednofázový střídač
• Třífázový střídač

1) jednofázový střídač

Obecně domácí a komerční zátěž využívá jednofázové napájení. Pro tento typ aplikace se používá jednofázový střídač. Jednofázový střídač je dále rozdělen na dvě části;

• Jednofázový střídač s polovičním můstkem
• Jednofázový měnič s plným můstkem

A) Jednofázový střídač s polovičním můstkem

Tento typ střídače se skládá ze dvou tyristorů a dvou diod a zapojení je znázorněno na následujícím obrázku.

V tomto případě je celkové stejnosměrné napětí Vs a je rozděleno na dvě stejné části Vs / 2. Čas jednoho cyklu je T s.

Poloviční cyklus 0

Pro druhou polovinu cyklu T / 2

Vo = Vs / 2

Touto operací můžeme získat křivku střídavého napětí s frekvencí 1 / T Hz a špičkovou amplitudou Vs / 2. Výstupní křivka je čtvercová vlna. Prochází filtrem a odstraňuje nežádoucí harmonické, které nám dávají čistý sinusový průběh. Frekvenci průběhu lze regulovat časem zapnutí (Ton) a časem vypnutí (Toff) tyristoru.

Velikost výstupního napětí je polovina napájecího napětí a zdroj období využití je 50%. To je nevýhoda polovičního můstkového invertoru a řešením je plný mostový střídač.

B) Jednofázový měnič s plným můstkem

U tohoto typu střídače se používají čtyři tyristory a čtyři diody. Schéma zapojení jednofázového plného můstku je znázorněno na následujícím obrázku.

V první polovině cyklu vedou dva tyristory T1 a T2 0 <t <T / 2. Během této doby je zátěžové napětí Vs, které je podobné stejnosměrnému napájecímu napětí.

Pro druhou polovinu cyklu T / 2 <t <T vedou dva tyristory T3 a T4. Napětí zátěže během tohoto období je -Vs.

Zde můžeme získat střídavé výstupní napětí stejné jako stejnosměrné napájecí napětí a faktor využití zdroje je 100%. Tvar výstupního napětí je čtvercový tvar a filtry se používají k jeho převodu na sinusový průběh.

Pokud budou všechny tyristory fungovat současně nebo v páru (T1 a T3) nebo (T2 a T4), dojde ke zkratu zdroje. Diody jsou v obvodu zapojeny jako zpětnovazební dioda, protože se používá pro energetickou zpětnou vazbu ke stejnosměrnému zdroji.

Porovnáme-li plně přemostěný střídač s polovičním přemosťovacím střídačem, pro danou zátěž napájecího stejnosměrného napětí je výstupní napětí dvakrát a výstup je čtyřnásobný v plně přemostěném střídači.

2) Třífázový mostový měnič

V případě průmyslové zátěže se používá třífázové střídavé napájení, a proto musíme použít třífázový střídač. U tohoto typu střídače se používá šest tyristorů a šest diod a jsou zapojeny, jak je znázorněno na následujícím obrázku.

Může pracovat ve dvou režimech podle stupně hradlových impulzů.

• Režim 180 stupňů
• 120stupňový režim

A) režim 180 stupňů

V tomto provozním režimu je doba vedení pro tyristor 180 stupňů. V kterémkoli období jsou tři tyristory (jeden tyristor z každé fáze) v režimu vedení. Tvar fázového napětí má tři stupňovité průběhy a tvar síťového napětí je kvazi-čtvercová vlna, jak je znázorněno na obrázku.

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

Fáze A	T1	T4	T1	T4
Fáze B	T6	T3	T6	T3	T6
Fáze C.	T5	T2	T5	T2	T5
Stupeň	60	120	180	240	300	360	60	120	180	240	300	360
Tyristor vede	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

V této operaci je časová mezera mezi komutací výstupního tyristoru a vedením vstupujícího tyristoru nulová. Je tedy možné současné vedení příchozího a odchozího tyristoru. Výsledkem je zkrat zdroje. Aby se těmto obtížím předešlo, používá se 120stupňový režim provozu.

B) 120stupňový režim

V této operaci se současně chovají pouze dva tyristory. Jedna z fází tyristoru není připojena ke kladnému pólu ani k zápornému pólu. Doba vedení pro každý tyristor je 120 stupňů. Tvar síťového napětí je třístupňový průběh a tvar fázového napětí je kvazi-čtvercový průběh.

Fáze A	T1		T4		T1		T4
Fáze B	T6		T3		T6		T3		T6
Fáze C.		T2		T5		T2		T5
stupeň	60	120	180	240	300	360	60	120	180	240	300	360
Tyristor vede	1 6	2 1	3 2	3 4	4 5	6 5	1 6	2 1	3 2	3 4	4 5	5 6

Tvar vlny síťového napětí, fázového napětí a hradlového pulzu tyristoru je znázorněn na výše uvedeném obrázku.

U všech výkonových elektronických spínačů existují dva typy ztrát; ztráta vedení a ztráta spínání. Ztráta vedení znamená ztrátu stavu ON ve spínači a spínací ztráta znamená ztrátu stavu OFF ve spínači. Obecně je ztráta vedení větší než ztráta spínání ve většině operací.

Pokud vezmeme v úvahu režim 180 stupňů pro jeden 60stupňový provoz, tři spínače jsou otevřené a tři spínače jsou zavřené. Znamená, že celková ztráta se rovná třikrát ztrátě vedení plus třikrát ztrátě spínání.

Celková ztráta ve 180 stupních = 3 (ztráta vodivosti) + 3 (přepínací ztráta)

Pokud vezmeme v úvahu 120stupňový režim pro jeden 60stupňový provoz, dva spínače jsou rozpojeny a zbytek čtyř spínačů sepnut. Znamená, že celková ztráta se rovná dvojnásobku ztráty vodivosti plus čtyřnásobku ztráty přepnutím.

Celková ztráta ve 120 stupních = 2 (ztráta vodivosti) + 4 (ztráta spínání)

(IV) Klasifikace podle kontrolní techniky

• Single Pulse Width modulation (single PWM)
• Multiple Pulse Width Modulation (MPWM)
• Modulace šířky sinusového pulzu (SPWM)
• Modifikovaná modulace šířky sinusového pulzu (MSPWM)

Výstupem střídače je obdélníkový signál a tento signál se pro zátěž nepoužívá. K řízení střídavého výstupního napětí se používá technika pulzní šířkové modulace (PWM). Toto ovládání se získá řízením doby zapnutí a vypnutí spínačů. V PWM technice se používají dva signály; jeden je referenční signál a druhý je trojúhelníkový nosný signál. Impulz brány pro spínače je generován porovnáním těchto dvou signálů. Existují různé typy technik PWM.

1) Single Pulse Width modulation (single PWM)

U každé poloviny cyklu je v této řídicí technice k dispozici jediný puls. Referenční signál je signál čtvercové vlny a nosný signál je signál trojúhelníkové vlny. Impulz brány pro spínače je generován porovnáním referenčního signálu a nosného signálu. Frekvence výstupního napětí je řízena frekvencí referenčního signálu. Amplituda referenčního signálu je Ar a amplituda nosného signálu je Ac, poté lze index modulace definovat jako Ar / Ac. Hlavní nevýhodou této techniky je vysoký harmonický obsah.

2) Multiple Pulse Width Modulation (MPWM)

Nevýhoda techniky modulace šířky jednoho pulzu je řešena více PWM. V této technice se místo jednoho pulzu používá několik pulzů v každé polovině cyklu výstupního napětí. Brána je generována porovnáním referenčního signálu a nosného signálu. Výstupní frekvence je řízena řízením frekvence nosného signálu. Modulační index se používá k řízení výstupního napětí.

Počet pulzů za půl cyklu = fc / (2 * f0)

Kde fc = frekvence nosného signálu

f0 = frekvence výstupního signálu

3) Modulace šířky sinusového pulzu (SPWM)

Tato řídicí technika je široce používána v průmyslových aplikacích. Ve výše uvedených metodách je referenčním signálem obdélníkový signál. Ale v této metodě je referenčním signálem sinusový signál. Hradlový impuls pro spínače je generován porovnáním referenčního signálu sinusové vlny s trojúhelníkovou nosnou vlnou. Šířka každého pulzu se mění s variací amplitudy sinusové vlny. Frekvence výstupního průběhu je stejná jako frekvence referenčního signálu. Výstupní napětí je sinusová vlna a napětí RMS lze regulovat indexem modulace. Křivky jsou znázorněny na následujícím obrázku.

4) Modifikovaná modulace šířky sinusového pulzu (MSPWM)

Vzhledem k charakteristice sinusové vlny nelze šířku pulzu vlny změnit změnou indexu modulace v technice SPWM. Z tohoto důvodu je zavedena technika MSPWN. V této technice je nosný signál aplikován během prvního a posledního 60stupňového intervalu každého půl cyklu. Tímto způsobem se zlepší jeho harmonická charakteristika. Hlavní výhodou této techniky je zvýšená základní součást, snížený počet spínacích výkonových zařízení a snížená spínací ztráta. Tvar vlny je znázorněn na následujícím obrázku.

(V) Podle počtu úrovní na výstupu

• Pravidelný dvouúrovňový střídač
• Víceúrovňový střídač

1) Pravidelný dvouúrovňový střídač

Tyto měniče mají na výstupu pouze napěťové úrovně, které jsou kladné špičkové napětí a záporné špičkové napětí. Někdy je úroveň nulového napětí také známá jako dvouúrovňový střídač.

2) Víceúrovňové střídače

Tyto střídače mohou mít na výstupu více úrovní napětí. Víceúrovňový střídač je rozdělen do čtyř částí.

- Létající invertor kondenzátoru

- Diodově upnutý střídač

- Hybridní střídač

- Kaskádový střídač typu H.

Každý střídač má svůj vlastní design pro provoz, zde jsme tyto střídače stručně vysvětlili, abychom o nich získali základní představu.