Invertiu el circuit de rectificació, connecteu un extrem al corrent continu (DC) i l'altre extrem pot conduir al corrent altern (AC). Es tracta d'un inversor, un dispositiu que converteix el corrent continu en corrent altern.
La majoria de les càrregues comercials, industrials i residencials requereixen alimentació de CA, però l'alimentació de CA no es pot emmagatzemar a les bateries i l'emmagatzematge de les bateries és important per a l'alimentació de reserva. Avui en dia, aquest defecte es pot superar amb una font d'alimentació de corrent continu.
La polaritat de l'alimentació de CC no canvia amb el pas del temps com l'alimentació de CA, de manera que l'energia de CC es pot emmagatzemar en bateries i supercondensadors. Per tant, primer podem convertir l'alimentació de CA en potència de CC i després emmagatzemar-la a la bateria. D'aquesta manera, sempre que es necessiti alimentació de CA per fer funcionar aparells de CA, l'alimentació de CC es tornarà a convertir en energia de CA per fer funcionar aparells de CA.
Segons la font d'entrada, el mètode de connexió, la forma d'ona de tensió de sortida, etc. de l'aplicació, els inversors es divideixen en les 17 categories principals següents.
1. Classifica per font d'entrada
L'entrada d'un inversor pot ser una font de tensió o una font de corrent, de manera que es divideix en inversors de font de tensió (VSI) i inversors de font de corrent (CSI).
Inversor de font de tensió (VSI)
Quan l'entrada de l'inversor és una font de tensió de CC constant, l'inversor s'anomena inversor de font de tensió.
L'entrada de l'inversor de font de tensió té una font de tensió de CC rígida amb impedància zero. De fet, la impedància d'una font de tensió de CC es pot ignorar. Suposant que VSI està alimentat per una font de tensió ideal (font d'impedància extremadament baixa), la tensió de sortida de CA està totalment determinada per l'estat dels dispositius de commutació de l'inversor i la font d'alimentació de CC aplicada.
Inversor de font de corrent (CSI)
Quan l'entrada de l'inversor és una font de corrent continu constant, l'inversor s'anomena inversor de font de corrent.
El corrent rígid es subministra des d'una font d'alimentació de CC a CSI, on la font d'alimentació de CC té una alta impedància. Normalment, s'utilitzen grans inductors o corrents de control de llaç tancat per proporcionar corrents rígides. L'ona de corrent resultant és rígida i no es veu afectada per la càrrega. El corrent de sortida de CA està completament determinat pels dispositius de commutació de l'inversor i l'estat de la font d'alimentació de CC aplicada.
2. Classificar per fase de sortida
Segons la tensió de sortida i la fase actual, els inversors es divideixen principalment en dues categories: inversors monofàsics i inversors trifàsics.
Inversor monofàsic
Un inversor monofàsic converteix l'entrada de CC en sortida monofàsica. La tensió/corrent de sortida d'un inversor monofàsic només té una fase i la seva freqüència nominal és la tensió nominal de 50 Hz o 60 Hz.
La tensió nominal es defineix com el nivell de tensió al qual funciona el sistema elèctric. Hi ha diferents tensions nominals, a saber, 120V, 220V, 440V, 690V, 3.3KV, 6.6KV, 11kV, 33kV, 66kV, 132kV, 220kV, 400kV i 765kV. La baixa tensió nominal es pot aconseguir directament mitjançant l'ús de transformadors interns o inversors amb circuits boost i buck, mentre que per a alta tensió nominal s'utilitzen transformadors boost externs.
Els inversors monofàsics s'utilitzen per a càrregues baixes. Les pèrdues monofàsiques són més altes i l'eficiència monofàsica és menor que els inversors trifàsics. Per tant, els inversors trifàsics són l'opció preferida per a càrregues elevades.
Inversor trifàsic
Un inversor trifàsic converteix el corrent continu en potència trifàsica. Una font d'alimentació trifàsica proporciona tres canals d'alimentació CA amb angles de fase uniformement separats. L'amplitud i la freqüència de les tres ones generades a l'extrem de sortida són les mateixes, però varien lleugerament a causa de la càrrega, i cada ona té un canvi de fase de 120 graus entre si.
Bàsicament, un únic inversor trifàsic consta de tres inversors monofàsics, cadascun amb una distància de fase de 120 graus, i cada inversor monofàsic està connectat a un dels tres terminals de càrrega.
3. Classificat per tecnologia de commutació
Segons la tecnologia de commutació, es pot dividir en dos tipus principals: inversors de commutació de línia i inversors de commutació forçada. A més, hi pot haver inversors de commutació auxiliars i inversors de commutació complementaris, però com que no s'utilitzen habitualment, aquí parlarem breument dels dos tipus principals.
Inversió de línia
En aquest tipus d'inversors, la tensió de línia del circuit de CA es pot obtenir mitjançant equips; Quan el corrent a SCR experimenta zero característiques, el dispositiu s'apaga. Aquest procés de commutació s'anomena commutació de línia, i els inversors que funcionen basant-se en aquest principi s'anomenen inversors de commutació de línia.
Commutació forçada
En aquest tipus de commutació, no hi haurà punt zero a la font d'alimentació. És per això que es necessiten algunes fonts externes per rectificar el dispositiu. Aquest procés de commutació s'anomena commutació forçada, i els inversors basats en aquest procés s'anomenen inversors de commutació forçada.
4. Classificat per mètode de connexió
Segons el mètode de connexió dels tiristors al circuit, es pot dividir en inversors en sèrie, inversors paral·lels i inversors de pont, entre els quals els inversors de pont es divideixen en mig pont, pont complet i pont trifàsic.
Inversor de sèrie
Un inversor en sèrie consta d'un parell de tiristors i circuits RLC (resistència, inductància i capacitat). Un tiristor està connectat en paral·lel amb el circuit RLC i un tiristor està connectat en sèrie entre la font d'alimentació de CC i el circuit RLC. Aquest tipus d'inversor s'anomena inversor en sèrie perquè la càrrega està connectada directament en sèrie amb la font d'alimentació de CC amb l'ajuda de tiristors.
Els inversors en sèrie també es coneixen com a inversors d'autocommutació perquè els tiristors d'aquest tipus d'inversors s'autocommuten per la càrrega. Un altre nom d'aquest inversor és "inversor de commutació de càrrega". El motiu per donar aquest nom és que LCR és una càrrega que proporciona commutació.
Inversor paral·lel
Un inversor paral·lel consta de dos tiristors, un condensador, un transformador central i un inductor. Els tiristors s'utilitzen per proporcionar un camí per al flux de corrent, mentre que els inductors s'utilitzen per mantenir constant la font de corrent. La conducció i apagada d'aquests tiristors estan controlades pels condensadors de commutació connectats entre ells.
S'anomena inversor paral·lel perquè en funcionament, el condensador es connecta en paral·lel amb la càrrega mitjançant un transformador.
Inversor de mig pont
Un inversor de mig pont requereix dos interruptors electrònics per funcionar. Els interruptors poden ser MOSFET, IJBT, BJT o tiristors.Un mig pont amb tiristors i interruptors BJT requereix dos díodes addicionals, excepte les càrregues resistives pures, mentre que els MOSFET tenen díodes integrats. En resum, dos interruptors són suficients per satisfer càrregues resistives pures, mentre que altres càrregues (inductors i condensadors) requereixen dos díodes addicionals. Aquests díodes s'anomenen díodes de retroalimentació o díodes de roda lliure.
El principi de funcionament d'un inversor de mig pont és el mateix per a tots els interruptors, però aquí estem parlant d'un mig pont amb interruptors de tiristor. Hi ha dos tiristors complementaris, el que significa conduir un tiristor alhora. Per a càrregues resistives, el circuit funciona en dos modes. La freqüència de commutació determinarà la freqüència de sortida. Quan la freqüència de sortida és de 50 HZ, cada tiristor condueix una vegada durant 20 ms.
Inversor de pont complet
Un inversor de pont complet monofàsic té quatre interruptors controlats que s'utilitzen per controlar la direcció del flux de corrent a la càrrega. Aquest pont té 4 díodes de retroalimentació que poden retroalimentar l'energia emmagatzemada a la càrrega a la font d'alimentació. Aquests díodes de retroalimentació només funcionen quan tots els tiristors estan apagats i la càrrega no és una càrrega purament resistiva.
Per a qualsevol càrrega, només funcionen 2 tiristors alhora. Els tiristors T1 i T2 conduiran en un cicle, mentre que T3 i T4 conduiran en un altre cicle. En altres paraules, quan T1 i T2 estan en estat ON, T3 i T4 estan en estat OFF, mentre que quan T3 i T4 estan en estat ON, els altres dos estan en estat OFF. Obrir dos o més tiristors alhora pot provocar un curtcircuit, generar calor excessiu i cremar immediatament el circuit.
Inversor de pont trifàsic
Les càrregues industrials i altres pesades requereixen una font d'alimentació trifàsica. Per fer funcionar aquestes càrregues pesades des de dispositius d'emmagatzematge o altres fonts d'alimentació de CC, es requereix un inversor trifàsic. Per a aquest propòsit es pot utilitzar un inversor de pont trifàsic.
Un inversor de pont trifàsic és un altre tipus d'inversor de pont, format per 6 interruptors controlats i 6 díodes, tal com es mostra a la figura.
5. Classificat per mode de funcionament
Segons el mode de funcionament, els inversors es divideixen en tres categories principals:
Inversor independent
L'inversor independent està connectat directament a la càrrega i no serà interromput per altres fonts d'alimentació. Inversor independent o "inversor en mode fora de xarxa", l'inversor subministra energia a la càrrega de manera independent sense ser afectat per la xarxa o altres fonts d'energia.
Aquests inversors s'anomenen inversors en mode fora de xarxa perquè no es veuen afectats per la xarxa pública. Aquests inversors no es poden connectar a la xarxa elèctrica perquè no tenen capacitat de sincronització, on la sincronització és el procés de fer coincidir la fase i la freqüència nominal (50/60 Hz) de dues fonts d'alimentació de CA.
Inversor connectat a la xarxa
Els inversors connectats a la xarxa o els inversors connectats a la xarxa (GTI) tenen dues funcions principals. Una funció dels inversors connectats a la xarxa és proporcionar energia de CA des dels dispositius d'emmagatzematge (fonts d'alimentació de CC) a càrregues de CA, mentre que una altra funció dels inversors connectats a la xarxa és proporcionar energia addicional a la xarxa.
Els inversors connectats a la xarxa, també coneguts com a inversors interactius de serveis públics, inversors d'interconnexió de xarxa o inversors de retroalimentació de la xarxa, sincronitzen la freqüència i la fase del corrent per adaptar-se a la xarxa pública. En augmentar el nivell de tensió de l'inversor, l'energia es transmet des de la font d'alimentació de CC a la xarxa pública.
Inversor de doble pic
L'inversor de doble pic pot funcionar tant com a inversor connectat a la xarxa com a inversor independent. Aquests inversors poden injectar energia addicional de fonts d'energia renovables i dispositius d'emmagatzematge a la xarxa, i recuperar l'electricitat de la xarxa quan l'energia generada per les energies renovables és insuficient. En altres paraules, aquests inversors poden funcionar com a inversors independents i inversors connectats a la xarxa segons els requisits de la càrrega. Els inversors de doble pic són multifuncionals, incloses les funcions d'inversors independents i inversors connectats a la xarxa.
La funció d'un inversor de doble pic variarà amb la càrrega. Si hi ha un problema amb la xarxa elèctrica o quan la potència de les energies renovables és suficient per satisfer la càrrega, la seva funció es canviarà a un inversor independent (es converteix en un inversor independent). En aquest cas, l'interruptor de transferència desconnectarà l'inversor de la xarxa.
Un cop l'energia renovable comenci a generar energia addicional, el mode de funcionament passarà del mode independent al mode connectat a la xarxa. L'inversor sincronitza la seva fase i freqüència amb l'inversor i comença a injectar energia addicional a la xarxa.
6. Classificar per forma d'ona de sortida
L'inversor ideal es refereix a un inversor que converteix els senyals de corrent continu en sortides de corrent alterna sinusoïdals purs. El problema dels inversors reals és que els seus senyals de sortida no són purament sinusoïdals. Segons la forma d'ona de sortida, els inversors es divideixen en tres categories:
Inversor d'ona quadrada
Aquests són els inversors més senzills per convertir el corrent continu en corrent altern, però la forma d'ona de sortida no és l'ona sinusoïdal pura necessària. Aquests inversors tenen ones quadrades a l'extrem de sortida. En altres paraules, aquests inversors converteixen l'entrada de CC en CA en forma d'ones quadrades. Mentrestant, els inversors d'ona quadrada també són més barats.
L'estructura més senzilla d'aquests inversors pot ser un inversor de pont H. Com es mostra a la figura, l'ús d'interruptors SPDT (simple empenta doble tirada) abans que el transformador pugui aconseguir una versió més senzilla. Aquest transformador també ajudarà a aconseguir qualsevol nivell de tensió de sortida desitjat.
El funcionament d'un model determinat és extremadament senzill. Simplement encendre i apagar l'interruptor canviarà simultàniament el corrent al terminal de sortida. Dit d'una altra manera, canviar el doble pol d'un sol pol a la freqüència desitjada generarà ones quadrades de CA a la sortida d'un inversor típic (és a dir, un transformador central). La distorsió harmònica d'una ona sinusoïdal típica és d'uns 45%, que es pot reduir encara més utilitzant filtres per filtrar alguns harmònics.
Inversor d'ona quasi sinusoïdal
Inversor d'ona quasi sinusoïdal, també conegut com a inversor d'ona sinusoïdal modificada amb ones sinusoïdals escalonades. En altres paraules, els senyals de sortida d'aquests inversors augmenten gradualment en polaritat positiva. Després d'arribar al pic positiu, el senyal de sortida disminueix gradualment fins a assolir el pic negatiu, tal com es mostra a la figura.
L'estructura d'un inversor d'ona quasi sinusoïdal és molt més simple que un inversor d'ona sinusoïdal pura, però més complexa que un inversor d'ona quadrada pura.
Tot i que la forma d'ona de sortida final d'aquests inversors no és una ona sinusoïdal pura, la distorsió harmònica de la sortida encara es redueix al 24%. El filtratge reduirà encara més la distorsió, però la quantitat de distorsió encara és significativa. Per aquest motiu, aquests inversors no són l'opció preferida per conduir diverses càrregues, inclosos els circuits electrònics.
Les ones quasi sinusoïdals poden danyar permanentment els dispositius electrònics amb temporitzadors al circuit. Si es connecta a un inversor d'ona quasi sinusoïdal, tots els aparells elèctrics amb motors no funcionaran de manera tan eficient com els connectats a un inversor d'ona sinusoïdal pura. A més, les transicions ràpides de la forma d'ona poden causar soroll. A causa d'aquests problemes, l'aplicació d'inversors d'ona quasi sinusoïdal és limitada.
Inversor d'ona sinusoïdal pura
Un inversor sinusoidal pur converteix DC en AC sinusoïdal gairebé pur. La forma d'ona de sortida d'un inversor d'ona sinusoïdal pura encara no és una ona sinusoïdal ideal, però és molt més suau que els inversors d'ona quadrada i quasi sinusoïdal.
La forma d'ona de sortida d'un inversor d'ona sinusoïdal pura té harmònics extremadament baixos. Els harmònics són ones sinusoïdals amb múltiples imparells de la freqüència fonamental de diferents amplituds. Els harmònics són molt impopulars perquè poden causar problemes greus amb diversos aparells elèctrics. Mitjançant l'ús de diverses tècniques PWM i després passant el senyal de sortida a través d'un filtre de pas baix, aquests harmònics es poden reduir encara més.
La construcció i el funcionament dels inversors d'ona sinusoïdal pura són molt més complexes que els inversors d'ona quadrada i modificada.
Aquests inversors són superiors als dos primers inversors perquè la majoria d'equips elèctrics requereixen ones sinusoïdals pures per funcionar millor. Com s'ha esmentat anteriorment, els inversors d'ona quadrada o quasi sinusoïdal poden danyar els aparells elèctrics, especialment els equipats amb motors. Per tant, per a un ús pràctic, s'utilitza un inversor sinusoidal pur.
7. Classificat pel nombre de nivells de sortida
El nivell de sortida de qualsevol inversor pot ser almenys dos o més. Segons el nombre de nivells de sortida, els inversors es divideixen en dues categories: inversors de dos nivells i inversors de diversos nivells.
Inversor de dos nivells
Un inversor de dos nivells té dos nivells de sortida. La tensió de sortida alterna entre positiva i negativa, i alterna a la freqüència fonamental (50 Hz o 60 Hz).
Alguns anomenats "inversors de dos nivells" tenen tres nivells en la seva forma d'ona de sortida. El motiu per classificar els inversors de tres nivells en aquesta categoria és que un dels nivells és la tensió zero. En realitat, zero és el tercer nivell, però encara es classifica com un inversor de dues etapes.
Un circuit inversor de dos nivells consta d'una font i uns interruptors que controlen el corrent o la tensió. A causa de les limitacions de les pèrdues de commutació i les classificacions del dispositiu, el funcionament d'alta freqüència dels inversors de dos nivells en aplicacions d'alta tensió està restringit. Tanmateix, el valor nominal de l'interruptor es pot augmentar mitjançant combinacions en sèrie i paral·lel. El grup d'interruptors que proporcionen un mig cicle positiu en un inversor de dos nivells s'anomena interruptor de grup positiu, mentre que l'altre grup d'interruptors que proporcionen un mig cicle negatiu s'anomena interruptor de grup negatiu.
Per les raons següents, no es prefereix un inversor de dos nivells. Els inversors requereixen el nombre mínim d'interruptors i fonts d'alimentació per funcionar i convertir l'energia en petits passos de tensió. Un pas de tensió més petit proporcionarà formes d'ona d'alta qualitat. A més, també pot reduir els problemes de tensió (dv/dt) i de compatibilitat electromagnètica a la càrrega. Per tant, els inversors multinivells són la primera opció més pràctica.
Inversor multinivell (MLI)
Un inversor de diversos nivells converteix els senyals de corrent continu en formes d'ona escalonades de diversos nivells. La forma d'ona de sortida d'un inversor multinivell no és directament alternant positiva i negativa, sinó alternant multinivell. A causa del fet que la suavitat de la forma d'ona és directament proporcional al nombre de nivells de tensió. Per tant, els inversors de diversos nivells produiran formes d'ona més suaus. Com s'ha esmentat anteriorment, aquesta característica el fa adequat per a aplicacions pràctiques.
Conclusió:
Aquest article presenta 17 tipus principals d'inversors, però de fet, hi ha moltes altres classificacions d'inversors. Per exemple, els inversors multinivell també es poden dividir en inversors de condensadors voladors (FCMI), inversors fixats per díodes (DCMI) i inversors de pont H en cascada.
Des d'una perspectiva d'aplicació pràctica, els inversors trifàsics són adequats per a aplicacions de càrrega elevada, els inversors sinusoïdals purs poden protegir millor els aparells elèctrics i els inversors multinivell són opcions més pràctiques.