Introducció a diferents tipus d’inversors

La font d'alimentació de corrent altern (AC) s'utilitza per a gairebé totes les necessitats residencials, comercials i industrials. Però el problema més important amb AC és que no es pot emmagatzemar per a ús futur. Per tant, la CA es converteix en corrent continu i, a continuació, la corriente continua s’emmagatzema en bateries i ultracondensadors. I ara, sempre que es necessita corrent altern, es converteix de nou en corrent altern per executar els aparells basats en corrent altern. Per tant, el dispositiu que converteix CC en corrent altern s’anomena inversor. L’inversor s’utilitza per convertir CC a CA variable. Aquesta variació pot estar en la magnitud del voltatge, el nombre de fases, la freqüència o la diferència de fase.

Classificació de l’inversor

L'inversor es pot classificar en molts tipus segons la sortida, la font, el tipus de càrrega, etc. A continuació es mostra la classificació completa dels circuits de l'inversor:

(I) Segons la característica de sortida

Inversor d’ona quadrada
Inversor d’on sinusoïdal
Inversor d’ona sinusoïdal modificada

(II) Segons la font d’inversor

Inversor de font actual
Inversor de font de tensió

(III) Segons el tipus de càrrega

Inversor monofàsic
1. Inversor de mig pont
2. Inversor de pont complet
Inversor trifàsic
1. Mode de 180 graus
2. Mode de 120 graus

(IV) Segons diferents tècniques PWM

Modulació d'amplada de pols simple (SPWM)
Modulació d'amplada de pols múltiple (MPWM)
Modulació d'amplada de pols sinusoïdal (SPWM)
Modulació d'amplada de pols sinusoidal modificada (MSPWM)

(V) Segons el nombre de nivells de sortida

Inversor normal de dos nivells
Inversor de diversos nivells

Ara en parlarem tots un per un. Podeu comprovar un exemple de disseny del circuit del convertidor de corrent altern de 12v a 220v.

(I) Segons la característica de sortida

Segons les característiques de sortida d’un inversor, hi pot haver tres tipus diferents d’inversors.

Inversor d’ona quadrada
Inversor d’on sinusoïdal
Inversor d’ona sinusoïdal modificada

1) Inversor d'ona quadrada

La forma d'ona de sortida del voltatge d'aquest inversor és una ona quadrada. Aquest tipus d’inversors s’utilitza menys entre tots els altres tipus d’inversors perquè tots els aparells estan dissenyats per al subministrament d’ona sinusoïdal. Si subministrem l’ona quadrada a l’aparell basat en l’ona sinusoïdal, es pot danyar o les pèrdues són molt altes. El cost d’aquest inversor és molt baix, però l’aplicació és molt rara. Es pot utilitzar en eines senzilles amb motor universal.

2) Onada sinusoidal

La forma d'ona de sortida del voltatge és una ona sinusoïdal i ens dóna una sortida molt similar a la font d'alimentació. Aquest és l'avantatge principal d'aquest inversor, ja que tots els aparells que estem utilitzant estan dissenyats per a l'ona sinusoïdal. Per tant, aquesta és la sortida perfecta i garanteix que l'equip funcionarà correctament. Aquest tipus d’inversors és més car, però s’utilitza àmpliament en aplicacions residencials i comercials.

3) ona sinusoïdal modificada

La construcció d’aquest tipus d’inversors és complexa que l’inversor d’ona quadrada simple, però més fàcil en comparació amb l’inversor d’ona sinusoïdal pura. La sortida d’aquest inversor no és ni ona sinusoïdal pura ni ona quadrada. La sortida d’aquest inversor és la part de dues ones quadrades. La forma d'ona de sortida no és exactament una ona sinusoïdal, però s'assembla a la forma d'una ona sinusoïdal.

(II) Segons la font del inversor

Inversor de font de tensió
Inversor de font actual

1) Inversor de font actual

A CSI, l'entrada és una font actual. Aquest tipus d’inversors s’utilitzen en aplicacions industrials de mitja tensió, on les formes d’ona de corrent d’alta qualitat són obligatòries. Però els CSI no són populars.

2) Inversor de font de tensió

A VSI, l'entrada és una font de tensió. Aquest tipus d’inversors s’utilitzen en totes les aplicacions perquè són més eficients i tenen una major fiabilitat i una resposta dinàmica més ràpida. VSI és capaç de fer funcionar motors sense desvaloració.

(III) Segons el tipus de càrrega

Inversor monofàsic
Inversor trifàsic

1) inversor monofàsic

En general, la càrrega residencial i comercial utilitza energia monofàsica. L’inversor monofàsic s’utilitza per a aquest tipus d’aplicacions. L'inversor monofàsic es divideix en dues parts;

Inversor de mig pont monofàsic
Inversor de pont complet monofàsic

A) Inversor de mig pont monofàsic

Aquest tipus d’inversors consten de dos tiristors i dos díodes i la connexió és la que es mostra a la figura següent.

En aquest cas, la tensió DC total és Vs i es divideix en dues parts iguals Vs / 2. El temps per a un cicle és de T seg.

Per a mig cicle de 0

Per al segon cicle mitjà de T / 2

Vo = Vs / 2

Amb aquesta operació, podem obtenir una forma d’ona de voltatge altern amb una freqüència d’1 / T Hz i una amplitud de pic Vs / 2. La forma d'ona de sortida és una ona quadrada. Es passarà pel filtre i eliminarà els harmònics no desitjats que ens donin forma d'ona sinusoïdal pura. La freqüència de la forma d'ona es pot controlar mitjançant el temps ON (Ton) i OFF (Toff) del tiristor.

La magnitud de la tensió de sortida és la meitat de la tensió d’alimentació i el període d’utilització de la font és del 50%. Aquest és un desavantatge de l’inversor de mig pont i la solució d’aquest és l’inversor de pont complet.

B) Inversor de pont complet monofàsic

En aquest tipus d’inversors s’utilitzen quatre tiristors i quatre díodes. El diagrama de circuits del pont complet monofàsic és el que es mostra a la figura següent.

Al mateix temps, dos tiristor T1 i T2 condueixen durant el primer semicicle 0 <t <T / 2. Durant aquest període, la tensió de càrrega és Vs, que és similar a la tensió d'alimentació de CC.

Per al segon mig cicle T / 2 <t <T, es duen a terme dos tiristors T3 i T4. La tensió de càrrega durant aquest període és de -Vs.

Aquí podem obtenir la mateixa tensió de sortida de CA que la tensió d’alimentació de CC i el factor d’utilització de la font és del 100%. La forma d'ona de voltatge de sortida és quadrada i els filtres s'utilitzen per convertir-la en una ona sinusoïdal.

Si tots els tiristors es comporten al mateix temps o en un parell de (T1 i T3) o (T2 i T4), la font quedarà curtcircuitada. Els díodes es connecten al circuit com a díode de retroalimentació perquè s’utilitza per a la retroalimentació energètica a la font de CC.

Si comparem l’inversor de pont complet amb l’inversor de mig pont, per a la càrrega de tensió de subministrament de CC donada, la tensió de sortida és dues vegades i la potència de sortida és quatre vegades en un inversor de pont complet.

2) Inversor de pont trifàsic

En cas de càrrega industrial, s’utilitza un subministrament de CA trifàsic i, per a això, hem d’utilitzar un inversor trifàsic. En aquest tipus d’inversors s’utilitzen sis tiristors i sis díodes i es connecten tal com es mostra a la figura següent.

Pot funcionar en dos modes segons el grau d’impulsos de la porta.

Mode de 180 graus
Mode de 120 graus

A) Mode de 180 graus

En aquest mode de funcionament, el temps de conducció del tiristor és de 180 graus. En qualsevol moment del període, tres tiristors (un tiristor de cada fase) es troben en mode de conducció. La forma de la tensió de fase és de tres formes d’ona escalonades i la forma de la tensió de línia és una ona quasi quadrada com es mostra a la figura.

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

Fase A.	T1	T4	T1	T4
Fase B.	T 6	T3	T 6	T3	T 6
Fase C.	T5	T2	T5	T2	T5
Llicenciatura	60	120	180	240	300	360	60	120	180	240	300	360
Conductes de tiristor	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

En aquesta operació, la diferència de temps entre la commutació del tiristor sortint i la conducció del tiristor entrant és nul·la. Per tant, és possible la conducció simultània de tiristor entrant i sortint. Dóna lloc a un curtcircuit de la font. Per evitar aquesta dificultat, s’utilitza un mode de funcionament de 120 graus.

B) Mode de 120 graus

En aquesta operació, a la vegada només condueixen dos tiristors. Una de les fases del tiristor no està connectada ni al terminal positiu ni al terminal negatiu. El temps de conducció de cada tiristor és de 120 graus. La forma de la tensió de línia és de tres formes d’ona escalonades i la forma de la tensió de fase és una forma d’ona quasi quadrada.

Fase A.	T1		T4		T1		T4
Fase B.	T 6		T3		T 6		T3		T 6
Fase C.		T2		T5		T2		T5
grau	60	120	180	240	300	360	60	120	180	240	300	360
Conductes de tiristor	1 6	2 1	3 2	3 4	4 5	6 5	1 6	2 1	3 2	3 4	4 5	5 6

La forma d'ona de la tensió de línia, la tensió de fase i el pols de la porta del tiristor és la que es mostra a la figura anterior.

En qualsevol commutador electrònic de potència, hi ha dos tipus de pèrdues; pèrdua de conducció i pèrdua de commutació. La pèrdua de conducció significa pèrdua d’ estat ON en l’interruptor i la pèrdua de commutació significa pèrdua d’estat OFF en l’interruptor. En general, la pèrdua de conducció és superior a la pèrdua de commutació en la major part de l’operació.

Si considerem el mode de 180 graus per a una operació de 60 graus, hi ha tres commutadors oberts i tres interruptors tancats. La pèrdua total significa que equival a tres vegades la pèrdua de conducció més tres vegades la pèrdua de commutació.

Pèrdua total en 180 graus = 3 (pèrdua de conductància) + 3 (pèrdua de commutació)

Si considerem el mode de 120 graus per a una operació de 60 graus, hi ha dos interruptors oberts i la resta dels quatre interruptors estan tancats. La pèrdua total significa que és igual a dues vegades la pèrdua de conductància i quatre vegades la pèrdua de commutació.

Pèrdua total de 120 graus = 2 (pèrdua de conductància) + 4 (pèrdua de commutació)

(IV) Classificació segons la tècnica de control

Modulació d'amplada de pols individual (PWM simple)
Modulació d'amplada de pols múltiple (MPWM)
Modulació d'amplada de pols sinusoïdal (SPWM)
Modulació d'amplada de pols sinusoïdal modificada (MSPWM)

La sortida del convertidor és un senyal d’ona quadrada i aquest senyal no s’utilitza per a la càrrega. La tècnica de modulació d’amplada de pols (PWM) s’utilitza per controlar el voltatge de sortida de CA. Aquest control s'obté mitjançant el control del període d'encès i apagat dels commutadors. En la tècnica PWM s’utilitzen dos senyals; un és el senyal de referència i el segon és el senyal de portadora triangular. El pols de la porta dels commutadors es genera comparant aquests dos senyals. Hi ha diferents tipus de tècniques PWM.

1) Modulació d'amplada de pols individual (PWM simple)

Per a cada mig cicle, l’únic impuls està disponible en aquesta tècnica de control. El senyal de referència és el senyal d’ona quadrada i el senyal portador és el senyal d’ona triangular. El pols de la porta dels commutadors es genera comparant el senyal de referència i el senyal portador. La freqüència del voltatge de sortida està controlada per la freqüència del senyal de referència. L'amplitud del senyal de referència és Ar i l'amplitud del senyal portador és Ac, llavors l'índex de modulació es pot definir com Ar / Ac. El principal inconvenient d’aquesta tècnica és l’alt contingut harmònic.

2) Modulació d'amplada de pols múltiple (MPWM)

L’inconvenient de la tècnica de modulació d’una amplada de pols únic es resol mitjançant múltiples PWM. En aquesta tècnica, en lloc d’un impuls, s’utilitzen diversos impulsos a cada mig cicle de la tensió de sortida. La porta es genera comparant el senyal de referència i el senyal portador. La freqüència de sortida es controla controlant la freqüència del senyal portador. L'índex de modulació s'utilitza per controlar la tensió de sortida.

El nombre de polsos per mig cicle = fc / (2 * f0)

On fc = freqüència del senyal portador

f0 = freqüència del senyal de sortida

3) Modulació d'amplada de pols sinusoïdal (SPWM)

Aquesta tècnica de control s’utilitza àmpliament en aplicacions industrials. En tots dos mètodes, el senyal de referència és un senyal d'ona quadrada. Però en aquest mètode, el senyal de referència és un senyal d'ona sinusoïdal. El pols de la porta dels commutadors es genera comparant el senyal de referència d'ona sinusoïdal amb l'ona portadora triangular. L'amplada de cada pols varia amb la variació de l'amplitud de l'ona sinusoïdal. La freqüència de la forma d'ona de sortida és la mateixa que la freqüència del senyal de referència. La tensió de sortida és una ona sinusoïdal i la tensió RMS es pot controlar mitjançant un índex de modulació. Les formes d’ona són les que es mostren a la figura següent.

4) Modulació d'amplada de pols sinusoidal modificada (MSPWM)

A causa de la característica de l'ona sinusoïdal, l'amplada del pols de l'ona no es pot canviar amb la variació de l'índex de modulació en la tècnica SPWM. Aquesta és la raó per la qual s’introdueix la tècnica MSPWN. En aquesta tècnica, el senyal portador s’aplica durant el primer i darrer interval de 60 graus de cada mig cicle. D’aquesta manera, es millora la seva característica harmònica. El principal avantatge d’aquesta tècnica és augmentar el component fonamental, reduir el nombre de dispositius de potència de commutació i disminuir la pèrdua de commutació. La forma d'ona és la que es mostra a la figura següent.

(V) Segons el nombre de nivells de sortida

Inversor normal de dos nivells
Inversor de diversos nivells

1) Inversor normal de dos nivells

Aquests inversors només tenen nivells de tensió a la sortida que són tensió màxima positiva i tensió màxima negativa. De vegades, tenir un nivell de voltatge zero també es coneix com a inversor de dos nivells.

2) Inversors multinivell

Aquests inversors poden tenir diversos nivells de tensió a la sortida. L’inversor de diversos nivells es divideix en quatre parts.

- Inversor de condensador volador

Inversor tancat amb díode

- Inversor híbrid

- Inversor Cascade tipus H.

Tots els inversors tenen el seu propi disseny per al seu funcionament, aquí els hem explicat breument per obtenir idees bàsiques sobre ells.