Inleiding tot verschillende soorten omvormers

Wisselstroom (AC) voeding wordt gebruikt voor bijna alle residentiële, commerciële en industriële behoeften. Maar het grootste probleem met AC is dat het niet kan worden opgeslagen voor toekomstig gebruik. Dus wisselstroom wordt omgezet in gelijkstroom en vervolgens wordt gelijkstroom opgeslagen in batterijen en ultracondensatoren. En als er nu wisselstroom nodig is, wordt gelijkstroom opnieuw omgezet in wisselstroom om de op wisselstroom gebaseerde apparaten te laten werken. Dus het apparaat dat gelijkstroom in wisselstroom omzet, wordt omvormer genoemd. De omvormer wordt gebruikt om DC om te zetten in variabele AC. Deze variatie kan liggen in de grootte van de spanning, het aantal fasen, de frequentie of het faseverschil.

Classificatie van omvormer

Omvormers kunnen in vele typen worden ingedeeld op basis van output, bron, type belasting enz. Hieronder vindt u de volledige classificatie van de omvormercircuits:

(I) Volgens het outputkenmerk

1. Square Wave-omvormer
2. Sinusomvormer
3. Gemodificeerde sinusomvormer

(II) Volgens de bron van de omvormer

1. Huidige bronomvormer
2. Spanningsbron omvormer

(III) Volgens het type lading

1. Eenfase-omvormer
   1. Half Bridge-omvormer
   2. Full Bridge-omvormer
2. Driefasige omvormer
   1. 180 graden modus
   2. 120 graden modus

(IV) Volgens verschillende PWM-technieken

1. Eenvoudige pulsbreedtemodulatie (SPWM)
2. Meerdere pulsbreedtemodulatie (MPWM)
3. Sinusoïdale pulsbreedtemodulatie (SPWM)
4. Gemodificeerde sinusvormige pulsbreedtemodulatie (MSPWM)

(V) Volgens het aantal uitgangsniveaus

1. Regelmatige omvormer met twee niveaus
2. Omvormer met meerdere niveaus

Nu zullen we ze allemaal een voor een bespreken. U kunt hier een voorbeeld van een 12v DC naar 220v AC omvormercircuit bekijken.

(I) Volgens het outputkenmerk

Afhankelijk van de uitgangskarakteristiek van een omvormer kunnen er drie verschillende soorten omvormers zijn.

• Square Wave-omvormer
• Sinusomvormer
• Gemodificeerde sinusomvormer

1) Vierkante golfomvormer

De uitgangsgolfvorm van de spanning voor deze omvormer is een blokgolf. Dit type omvormer wordt van alle andere omvormertypes het minst gebruikt omdat alle apparaten zijn ontworpen voor sinusgolfvoeding. Als we blokgolf- naar sinusgolfapparatuur leveren, kan deze beschadigd raken of zijn de verliezen erg hoog. De kosten van deze omvormer zijn erg laag maar de toepassing is zeer zeldzaam. Het kan worden gebruikt in eenvoudige gereedschappen met een universele motor.

2) Sinusgolf

De uitgangsgolfvorm van de spanning is een sinusgolf en het geeft ons een vergelijkbare output als de netvoeding. Dit is het grote voordeel van deze omvormer omdat alle apparaten die we gebruiken ontworpen zijn voor de sinusgolf. Dit is dus de perfecte output en geeft garantie dat apparatuur naar behoren zal werken. Dit type omvormers is duurder, maar wordt veel gebruikt in residentiële en commerciële toepassingen.

3) Gemodificeerde sinusgolf

De constructie van dit type omvormer is complex dan een eenvoudige blokgolfomvormer, maar eenvoudiger in vergelijking met de zuivere sinusomvormer. De output van deze omvormer is noch zuivere sinusgolf, noch blokgolf. De output van een dergelijke omvormer is de enkele van twee blokgolven. De uitgangsgolfvorm is niet precies een sinusgolf, maar lijkt op de vorm van een sinusgolf.

(II) Volgens de bron van de omvormer

• Spanningsbron omvormer
• Huidige bronomvormer

1) Huidige bronomvormer

In CSI is de invoer een huidige bron. Dit type omvormers wordt gebruikt in de industriële middenspanningstoepassing, waar stroomgolfvormen van hoge kwaliteit verplicht zijn. Maar CSI's zijn niet populair.

2) Spanningsbronomvormer

In VSI is de ingang een spanningsbron. Dit type omvormer wordt in alle toepassingen gebruikt omdat het efficiënter is en een hogere betrouwbaarheid en een snellere dynamische respons heeft. VSI kan motoren laten draaien zonder de-rating.

(III) Volgens het type lading

• Eenfasige omvormer
• Driefasige omvormer

1) eenfasige omvormer

Over het algemeen gebruikt residentiële en commerciële belasting eenfasige stroom. Voor dit soort toepassingen wordt de enkelfasige omvormer gebruikt. De enkelfasige omvormer is verder onderverdeeld in twee delen;

• Eenfase halfbrug-omvormer
• Eenfasige omvormer met volledige brug

A) Eenfase-omvormer met halve brug

Dit type omvormer bestaat uit twee thyristors en twee diodes en de aansluiting is zoals weergegeven in onderstaande afbeelding.

In dit geval is de totale gelijkspanning Vs en verdeeld in twee gelijke delen Vs / 2. Tijd voor één cyclus is T sec.

Voor een halve cyclus van 0

Voor de tweede halve cyclus van T / 2

Vo = Vs / 2

Door deze bewerking kunnen we een wisselspanningsgolfvorm krijgen met 1 / T Hz-frequentie en Vs / 2 piekamplitude. De uitgangsgolfvorm is een blokgolf. Het wordt door het filter geleid en verwijdert ongewenste harmonischen die ons een zuivere sinusgolfvorm geven. De frequentie van de golfvorm kan worden geregeld door de AAN-tijd (Ton) en UIT-tijd (Toff) van de thyristor.

De grootte van de uitgangsspanning is de helft van de voedingsspanning en de gebruiksperiode van de bron is 50%. Dit is een nadeel van een half bridge inverter en de oplossing hiervan is een full bridge inverter.

B) Eenfase-omvormer met volledige brug

Bij dit type omvormer worden vier thyristors en vier diodes gebruikt. Het schakelschema van eenfasige volledige brug is zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Twee thyristoren T1 en T2 geleiden tegelijkertijd gedurende de eerste halve cyclus 0 <t <T / 2. Gedurende deze periode is de belastingsspanning Vs, wat vergelijkbaar is met de DC-voedingsspanning.

Voor de tweede halve cyclus T / 2 <t <T geleiden twee thyristors T3 en T4. De laadspanning tijdens deze periode is -Vs.

Hier kunnen we AC-uitgangsspanning hetzelfde krijgen als DC-voedingsspanning en de brongebruiksfactor is 100%. De golfvorm van de uitgangsspanning is een vierkante golfvorm en de filters worden gebruikt om deze om te zetten in een sinusgolf.

Als alle thyristors tegelijkertijd of in een paar (T1 en T3) of (T2 en T4) geleiden, wordt de bron kortgesloten. De diodes zijn in het circuit aangesloten als terugkoppelingsdiode omdat deze wordt gebruikt voor de energieterugkoppeling naar de DC-bron.

Als we een volledige brugomvormer vergelijken met een halve brugomvormer, voor de gegeven DC-voedingsspanningsbelasting is de uitgangsspanning twee keer en is de uitvoer vier keer het vermogen in de volledige brugomvormer.

2) Driefasige brugomvormer

In het geval van industriële belasting wordt driefasige wisselstroom gebruikt en hiervoor hebben we een driefasige omvormer nodig. In dit type omvormer worden zes thyristors en zes diodes gebruikt en deze zijn aangesloten zoals weergegeven in onderstaande afbeelding.

Het kan in twee modi werken, afhankelijk van de mate van poortpulsen.

• 180 graden modus
• 120 graden modus

A) 180 graden modus

In deze werkingsmodus is de geleidingstijd voor thyristor 180 graden. Op elk moment van de periode zijn drie thyristors (één thyristor uit elke fase) in geleidingsmodus. De vorm van de fasespanning is drie getrapte golfvormen en de vorm van de lijnspanning is een quasi-vierkante golf zoals weergegeven in de figuur.

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

Fase A.	T1	T4	T1	T4
Fase B	T6	T3	T6	T3	T6
Fase C	T5	T2	T5	T2	T5
Mate	60	120	180	240	300	360	60	120	180	240	300	360
Thyristor leidt	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

Bij deze bewerking is het tijdsverschil tussen de commutatie van de uitgaande thyristor en de geleiding van de inkomende thyristor nul. Dus de gelijktijdige geleiding van inkomende en uitgaande thyristor is mogelijk. Het resulteert in een kortsluiting van de bron. Om deze moeilijkheid te vermijden, wordt een werkingsmodus van 120 graden gebruikt.

B) 120 graden modus

Bij deze operatie geleiden slechts twee thyristors per keer. Een van de fasen van de thyristor is niet verbonden met de positieve pool en ook niet met de negatieve pool. De geleidingstijd voor elke thyristor is 120 graden. De vorm van de lijnspanning is een drievoudige golfvorm en de vorm van de fasespanning is een quasi-vierkante golfvorm.

Fase A.	T1		T4		T1		T4
Fase B	T6		T3		T6		T3		T6
Fase C		T2		T5		T2		T5
mate	60	120	180	240	300	360	60	120	180	240	300	360
Thyristor leidt	1 6	2 1	3 2	3 4	4 5	6 5	1 6	2 1	3 2	3 4	4 5	5 6

De golfvorm van lijnspanning, fasespanning en poortpuls van de thyristor is zoals weergegeven in de bovenstaande afbeelding.

Bij alle vermogenselektronische schakelaars zijn er twee soorten verliezen; geleidingsverlies en schakelverlies. Het geleidingsverlies betekent AAN-toestandverlies in de schakelaar en het schakelverlies betekent UIT-toestandverlies in schakelaar. Over het algemeen is het geleidingsverlies groter dan het schakelverlies bij het grootste deel van de bewerking.

Als we de 180 graden-modus beschouwen voor een bewerking van 60 graden, zijn drie schakelaars open en drie schakelaars gesloten. Betekent dat het totale verlies gelijk is aan driemaal geleidingsverlies plus driemaal schakelverlies.

Totaal verlies in 180 graden = 3 (geleidingsverlies) + 3 (schakelverlies)

Als we de 120-graden-modus beschouwen voor een bewerking van 60 graden, zijn twee schakelaars open en zijn de rest van de vier schakelaars gesloten. Gemiddeld totaal verlies is gelijk aan twee keer geleidingsverlies plus vier keer schakelverlies.

Totaal verlies in 120 graden = 2 (geleidingsverlies) + 4 (schakelverlies)

(IV) Classificatie volgens controletechniek

• Single Pulse Width-modulatie (enkele PWM)
• Meerdere pulsbreedtemodulatie (MPWM)
• Sinusoïdale pulsbreedtemodulatie (SPWM)
• Gemodificeerde sinusoïdale pulsbreedtemodulatie (MSPWM)

De output van de omvormer is een blokgolfsignaal en dit signaal wordt niet gebruikt voor de belasting. Pulsbreedtemodulatie (PWM) -techniek wordt gebruikt om de AC-uitgangsspanning te regelen. Deze controle wordt verkregen door het regelen van de AAN- en UIT-periode van schakelaars. Bij de PWM-techniek worden twee signalen gebruikt; één is referentiesignaal en tweede is driehoekig draaggolfsignaal. De poortpuls voor schakelaars wordt gegenereerd door deze twee signalen te vergelijken. Er zijn verschillende soorten PWM-technieken.

1) Enkele pulsbreedtemodulatie (enkele PWM)

Voor elke halve cyclus is bij deze besturingstechniek de enige puls beschikbaar. Het referentiesignaal is een blokgolfsignaal en het draaggolfsignaal is een driehoekig golfsignaal. De poortpuls voor de schakelaars wordt gegenereerd door het referentiesignaal en het draaggolfsignaal te vergelijken. De frequentie van de uitgangsspanning wordt geregeld door de frequentie van het referentiesignaal. De amplitude van het referentiesignaal is Ar en de amplitude van het draaggolfsignaal is Ac, dan kan de modulatie-index worden gedefinieerd als Ar / Ac. Het belangrijkste nadeel van deze techniek is een hoog harmonisch gehalte.

2) Meerdere pulsbreedtemodulatie (MPWM)

Het nadeel van enkele pulsbreedtemodulatietechniek wordt opgelost door meerdere PWM's. Bij deze techniek worden in plaats van één puls meerdere pulsen gebruikt in elke halve cyclus van de uitgangsspanning. De poort wordt gegenereerd door het referentiesignaal en het dragersignaal te vergelijken. De uitgangsfrequentie wordt geregeld door de frequentie van het dragersignaal te regelen. De modulatie-index wordt gebruikt om de uitgangsspanning te regelen.

Het aantal pulsen per halve cyclus = fc / (2 * f0)

Waar fc = frequentie van draaggolfsignaal

f0 = frequentie van uitgangssignaal

3) Sinusvormige pulsbreedtemodulatie (SPWM)

Deze besturingstechniek wordt veel gebruikt in industriële toepassingen. Bij beide methoden is het referentiesignaal een blokgolfsignaal. Maar bij deze methode is het referentiesignaal een sinusgolfsignaal. De poortpuls voor de schakelaars wordt gegenereerd door het sinusgolfreferentiesignaal te vergelijken met de driehoekige draaggolf. De breedte van elke puls varieert met de variatie van de amplitude van de sinusgolf. De frequentie van de uitgangsgolfvorm is hetzelfde als de frequentie van het referentiesignaal. De uitgangsspanning is een sinusgolf en de RMS-spanning kan worden geregeld door middel van modulatie-index. Golfvormen zijn zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.

4) Gemodificeerde sinusoïdale pulsbreedtemodulatie (MSPWM)

Vanwege de karakteristiek van sinusgolf kan de pulsbreedte van de golf niet worden gewijzigd met variatie in de modulatie-index in de SPWM-techniek. Dat is de reden waarom de MSPWN-techniek wordt geïntroduceerd. Bij deze techniek wordt het draaggolfsignaal toegepast tijdens het eerste en laatste interval van 60 graden van elke halve cyclus. Op deze manier wordt zijn harmonische karakteristiek verbeterd. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is een grotere fundamentele component, een kleiner aantal schakelapparaten en een kleiner schakelverlies. De golfvorm is zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.

(V) Volgens het aantal niveaus aan de uitgang

• Regelmatige omvormer met twee niveaus
• Omvormer met meerdere niveaus

1) Normale omvormer met twee niveaus

Deze omvormers hebben alleen spanningsniveaus aan de uitgang die een positieve piekspanning en een negatieve piekspanning zijn. Soms wordt het hebben van een nulspanningsniveau ook wel een omvormer met twee niveaus genoemd.

2) Omvormers met meerdere niveaus

Deze omvormers kunnen aan de uitgang meerdere spanningsniveaus hebben. De omvormer met meerdere niveaus is verdeeld in vier delen.

- Vliegende condensatoromvormer

- Diode-geklemde omvormer

- Hybride omvormer

- Cascade H-type omvormer

Elke omvormer heeft zijn eigen ontwerp voor gebruik, hier hebben we deze omvormer kort uitgelegd om er een basisidee over te krijgen.