Как работают инверторы

Как работают инверторы, широтно-импульсная модуляция и частотно-регулируемые приводы

Как работают инверторы. В этой статье мы рассмотрим, как работает инвертор для преобразования постоянного тока (DC) в переменный ток (AC). Инверторы используются в фотоэлектрических массивах для обеспечения переменного тока для использования в домах и зданиях. Они также интегрированы в частотно-регулируемые приводы (VFD) для обеспечения точного управления системой обслуживания зданий HVAC путем контроля скорости, крутящего момента и направления вращения асинхронных двигателей переменного тока, соединенных с вентиляторами, насосами и компрессорами.

Что такое инвертор

Давайте начнем с основ. Вы, вероятно, знаете, что существует два различных типа используемой электроэнергии:

• Постоянный ток (DC), который питается от аккумуляторов, солнечных батарей и т. д. Этот тип питания в основном используется небольшими цифровыми приборами с печатными платами и т. д.
• Тип питания - переменный ток (переменный ток), он подается от розеток в ваших домах и обычно используется для питания больших приборов.

Оба типа тока имеют свои применения и ограничения, поэтому нам часто приходится переходить между ними, чтобы максимизировать их использование.

Инвертор - это устройство, которое используется для преобразования между постоянным током (DC) и переменным током (AC).

Если вы использовали осциллограф для просмотра сигнала этих двух типов мощности, вы увидите, что постоянный ток находится на своем максимальном напряжении и продолжается по прямой линии. Это потому, что ток течет напрямую только в одном направлении, поэтому он называется постоянным током. Это немного похоже на реку или канал, оно всегда на своем пике и течет в одном направлении.

Если вы использовали осциллограф для наблюдения за переменным током, вы увидите волнообразный рисунок, в котором напряжение чередуется между его двумя пиковыми напряжениями в положительной половине и отрицательной половине его цикла. Это потому, что ток движется туда-сюда. Это немного похоже на прилив океана, где он достигает своего максимального прилива и максимального отлива, и течение воды меняет направление между ними на пики.

Таким образом, инвертор просто преобразует постоянный ток в переменный, и это очень полезное изобретение. Вы также можете преобразовать переменный ток в постоянный, используя выпрямитель, и его можно найти в некоторых устройствах.

Где используются инверторы: Инверторные приложения

Обычное и довольно простое применение инверторов находится в фотоэлектрических массивах, так как они генерируют энергию постоянного тока, но бытовые приборы будут использовать переменный ток, поэтому его необходимо преобразовать для использования. Вы также можете купить портативные инверторы для вашего автомобиля, которые позволят вам использовать автомобильный аккумулятор для питания небольших бытовых приборов.

Четыре компонента для всех типов потребителей: 

Комплексное решение от Schneider Electric - SOLAR: Решение для солнечной энергетики. 

Conext SmartGen трехфазный инвертор 1500 В Новое решение для больших электростанций – это полностью новый продукт, который обеспечивает максимальную эффективность в плане капитальных затрат. Собрав в себе передовые технологии, Conext SmartGen уменьшает стоимость сооружения электростанции, в то же время увеличивая выработку электроэнергии.

Conext CL трехфазный сетевой инвертор  - идеальное решение для коммерческих зданий и децентрализованных солнечных электростанций. Серия Conext CL – это новая линейка стринговых (сетевых) инверторов с высоким показателем КПД, гибкими настройками, простой и легкой установкой и обслуживанием. Децентрализированная архитектура, поддержка всех сетевых функций и системных возможностей вместе с широким диапазоном оборудования среднего напряжения Schneider Electric, делает Conext СL идеальным выбором для средних и больших СЭС.

Conext SW внесетевой инвертор Решение для систем автономного и резервного питания для небольших жилых зданий Серия Conext SW обеспечивает чистую синусоиду на выходе инвертора, а также может работать, как зарядное устройство для аккумуляторных батарей. Для большей автономности Conext SW поддерживает работу вместе с дизельным генератором. Conext SW распологает множеством режимов работы и выбора приоритетных источников питания, что обеспечит максимальную гибкость Вашей системы.

Conext XW + гибридный инвертор Новое решение для больших электростанций Решение для систем автономного и резервного питания для небольших жилых зданий Серия Conext XW+ – это однофазная или трехфазная система, которая включает инвертор с двумя входами питания (сеть, генератор), возможность гибко работать с сетью (продавать электроэнергию в сеть, брать из сети недостающую мощность, ограничивать потребление из сети и т.д.). Система масштабируемая от 7 кВт до 102 кВт.

Немного более сложный способ их использования заключается в интеграции в частотно-регулируемые приводы (VFD), также известные как частотно-регулируемые приводы (VSD), для управления скоростью, крутящим моментом и направлением вращения двигателей переменного тока для достижения очень точного управления, которое также экономит энергию. Вы найдете их на вентиляторах, насосах и компрессорах и, в основном, на любом вращающемся оборудовании. Они используются во всех отраслях промышленности и широко используются в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха для промышленных и коммерческих объектов.

В этом приложении инвертор соединен с выпрямителем, и входная мощность переменного тока преобразуется в постоянный ток, а затем обратно в переменный ток, но контроллеры будут изменять частоту синусоидальной диаграммы.

Путем манипулирования этим способом можно точно контролировать режимы работы двигателей, и, таким образом, при подключении к вентилятору, насосу или компрессору поучается также возможным точно управлять и контролировать режимы их работы.

Как работают инверторы: Простая схема инвертора

Давайте рассмотрим упрощенную схему, в которой источник постоянного тока используется для питания нагрузки переменного тока. Для преобразования постоянного тока в переменный существует 4 переключателя. Переключатели спарены вместе, так что переключатели 2 и 3 размыкаются, когда 1 и 4 замыкаются, и наоборот. Это приведет ток через нагрузку в переменном направлении, поэтому нагрузка будет испытывать переменный ток, даже если он исходит от источника постоянного тока.

Если переключатели 2 и 3 замкнуты, а переключатели 1 и 4 разомкнуты, это приведет к прохождению тока через правую часть лампы.

Если переключатели 1 и 4 замкнуты, а 2 и 3 разомкнуты, это заставит ток течь через левую часть лампы.

Таким образом, вы можете видеть, что есть источник постоянного тока, но лампа испытывает переменный ток.

Лампа не воспримет это как синусоидальную волну, поскольку внезапное переключение приведет только к прямоугольной волне. Острые углы прямоугольной волны могут повредить электрооборудование, поэтому их необходимо сгладить.

Переключение также слишком быстрое для человека, если учесть, что электричество, которое вы получаете в розетках вашего дома, будет подаваться с частотой 50 или 60 Гц, в зависимости от того, где вы находитесь в мире. Это означает, что ток должен менять направление 50 или 60 раз в секунду.

Для достижения необходимой скорости переключения инженеры используют специальные электронные компоненты, такие как диоды, транзисторы IGBT, MOSFET и т. д.

Давайте рассмотрим пример трехфазной мощности для двигателя. Вы можете видеть, что эта схема имеет источник постоянного тока и нагрузку переменного тока, и для преобразования постоянного тока в переменный ток существует группа транзисторных ключей IGBT, которые подключены к контроллеру. Этот контроллер отправит сигнал каждому ключу IGBT, сообщая, когда открывать и когда закрывать. Эти транзисторы IGBT соединены вместе в общую схему.

Когда цепь включена, вы можете видеть, что контроллер переключает пары IGBT, чтобы позволить току проходить через них в течение заданного промежутка времени, так что двигатель будет испытывать переменный ток, в этом примере переменный ток находится в 3 фазах,

Как инверторы используются для управления скоростью двигателя

Если мы поближе познакомимся с транзисторными ключами IGBT, то увидим, что они на самом деле открываются и закрываются пульсирующим образом несколько раз за цикл. Это известно, как широтно-импульсная модуляция.

Происходит то, что цикл был разбит на несколько меньших сегментов, и контроллер сообщает IGBT, как долго закрываться, на каждом сегменте.

Путем размыкания и замыкания переключателей на разных отрезках времени в течение каждого сегмента каждого цикла, IGBT могут позволять различным величинам тока течь через цепь и в двигатель.

Результатом этого является то, что средняя мощность по каждому сегменту приведет к синусоидальной диаграмме. Чем больше сегментов разбит на цикл, тем более гладкой будет синусоида и тем ближе она будет имитировать настоящую синусоидальную переменную волну.

Двигатель увидит среднее значение и, следовательно, будет испытывать синусоидальный переменный ток.

Широтно-импульсная модуляция

Контроллер может изменять интервал или длительность времени, в течение которого ключи IGBT открыты, чтобы увеличить или уменьшить частоту и длину волны для управления скоростью, крутящим моментом и направлением вращения двигателя, и с помощью нескольких дополнительных контуров управления его можно использовать для точного соответствия требуемой нагрузке для обеспечения точного управления системой и энергосбережения.