Kaj je napetostni pretvornik, kako deluje, uporaba pretvornika

Za pretvorbo enosmernega v izmenični tok se uporabljajo posebni elektronski napajalniki, imenovani inverterji. Najpogosteje pretvornik pretvori enosmerno napetost ene velikosti v izmenično napetost druge velikosti.

Inverter je torej generator periodično spreminjajoče se napetosti, medtem ko je valovna oblika napetosti lahko sinusna, skoraj sinusna ali impulzna ... Inverterji se uporabljajo tako kot samostojne naprave kot del sistemov brezprekinitvenega napajanja (UPS).

Razsmerniki kot del neprekinjenih virov napajanja (UPS) omogočajo na primer neprekinjeno napajanje računalniških sistemov in če v omrežju nenadoma izgine napetost, bo pretvornik takoj začel dovajati računalniku energijo, pridobljeno iz rezervne baterije. Uporabnik bo imel vsaj čas za izklop in izklop računalnika.

Večji brezprekinitveni napajalniki uporabljajo zmogljivejše razsmernike z baterijami velike kapacitete, ki lahko avtonomno napajajo porabnike več ur ne glede na omrežje, ko pa se omrežje vrne v normalno stanje, UPS samodejno preklopi porabnike direktno na električno omrežje in baterije se začnejo polniti.

Tehnična stran

V sodobnih tehnologijah pretvorbe električne energije lahko razsmernik deluje le kot vmesna enota, kjer je njegova funkcija pretvarjanje napetosti z visokofrekvenčno transformacijo (desetine in stotine kilohercev). Na srečo je danes to težavo mogoče zlahka rešiti, saj so za razvoj in načrtovanje pretvornikov na voljo tako polprevodniška stikala, ki lahko prenesejo tokove več sto amperov, magnetna jedra s potrebnimi parametri in elektronski mikrokrmilniki, posebej zasnovani za pretvornike (vključno z resonančnimi).

Zahteve za razsmernike, kot tudi za druge močnostne naprave, so: visok izkoristek, zanesljivost, čim manjše dimenzije in teža. Prav tako je potrebno, da pretvornik vzdrži dovoljeno raven višjih harmonikov vhodne napetosti in ne ustvarja za uporabnike nesprejemljivo glasnega impulznega šuma.

V sistemih z "zelenimi" viri električne energije (sončni kolektorji, vetrnice) za dobavo električne energije neposredno v splošno omrežje se uporabljajo omrežni inverterji, ki lahko delujejo sinhrono z industrijskim omrežjem.

Med delovanjem napetostnega pretvornika je vir konstantne napetosti občasno priključen na tokokrog bremena s spremenljivo polarnostjo, medtem ko se frekvenca povezav in njihovo trajanje oblikuje s krmilnim signalom, ki prihaja iz krmilnika.

Krmilnik v pretvorniku običajno opravlja več funkcij: regulacijo izhodne napetosti, sinhronizacijo delovanja polprevodniških stikal, zaščito vezja pred preobremenitvijo. Na splošno se razsmerniki delijo na: samostojne razsmernike (tokovni in napetostni razsmerniki) in odvisne razsmernike (omrežni, omrežni itd.)

Invertersko vezje

Polprevodniška stikala pretvornika krmili krmilnik in imajo povratne šuntne diode. Izhodna napetost pretvornika, odvisno od trenutne moči bremena, se v najpreprostejšem primeru prilagodi s samodejnim spreminjanjem širine impulza v visokofrekvenčnem pretvorniku PWM (širinsko impulzna modulacija).

Polvalovi izhodne nizkofrekvenčne napetosti morajo biti simetrični, tako da tokokrogi obremenitve v nobenem primeru ne prejmejo pomembne konstantne komponente (za transformatorje je to še posebej nevarno), za to je impulzna širina bloka LF (v najpreprostejši primer) postane konstanten.

Pri krmiljenju izhodnih stikal pretvornika se uporablja algoritem, ki zagotavlja zaporedno spremembo struktur močnostnega tokokroga: direktno, kratkostično, obratno.

Tako ali drugače ima trenutna vrednost bremenske moči na izhodu pretvornika značaj dvofrekvenčnega valovanja, zato mora primarni vir omogočati takšen način delovanja, ko skozenj tečejo valoviti tokovi, in prenesti ustrezno raven motenj. (na vhodu pretvornika).

Če so bili prvi pretvorniki izključno mehanski, danes obstaja veliko možnosti za polprevodniška pretvorniška vezja in obstajajo samo tri tipične sheme: most brez transformatorja, potisni z ničelnim priključkom transformatorja, most s transformatorjem.

Mostno vezje brez transformatorja najdemo v 500 VA brezprekinitvenih napajalnikih in avtomobilskih razsmernikih. Drsno vezje z nevtralnim priključkom transformatorja se uporablja v UPS-ih majhne moči (za računalnike) z zmogljivostjo do 500 VA, kjer je napetost rezervne baterije 12 ali 24 voltov. Mostno vezje s transformatorjem se uporablja v močnih virih neprekinjenega napajanja (za enote in desetine kVA).

Valovna oblika izhodne napetosti

Pri pravokotnih napetostnih pretvornikih se na izhodu preklopi skupina reverznih diodnih stikal, ki proizvajajo izmenično napetost v bremenu in zagotavljajo nadzorovan način kroženja v vezju reaktivna energija.

Za sorazmernost izhodne napetosti so odgovorni: relativno trajanje krmilnih impulzov ali fazni zamik med krmilnimi signali ključnih skupin. V načinu nekontroliranega kroženja jalove moči uporabnik vpliva na obliko in velikost izhodne napetosti pretvornika.

V napetostnih pretvornikih s stopničastim izhodom tvori visokofrekvenčni predpretvornik unipolarno krivuljo stopenjske napetosti, ki se po obliki približno približa sinusnemu valu, katerega perioda je polovica periode izhodne napetosti. Mostno vezje LF nato pretvori unipolarno stopenjsko krivuljo v dve polovici bipolarne krivulje, ki približno spominja na sinusni val.

Pri napetostnih pretvornikih s sinusno (ali skoraj sinusno) obliko izhoda visokofrekvenčni predpretvornik ustvari konstantno napetost, ki je po amplitudi blizu prihodnjemu sinusoidnemu izhodu.

Mostno vezje nato tvori nizkofrekvenčno spremenljivko iz konstantne napetosti s pomočjo več PWM, ko se vsak par tranzistorjev v vsakem polciklu oblikovanja izhodnega sinusnega vala večkrat odpre za čas, ki se spreminja glede na harmonični zakon . Nizkopasovni filter nato iz dobljene valovne oblike izloči sinus.

VF predpretvorbena vezja v razsmernikih

Najenostavnejša visokofrekvenčna predpretvorbena vezja v pretvornikih so samogeneracijska. Tehnično so precej preprosti in so zelo učinkoviti pri nizkih močeh (do 10-20 W) za napajanje bremen, ki niso kritična za proces napajanja. Frekvenca oscilatorjev ni večja od 10 kHz.

Pozitivne povratne informacije v takšnih napravah dobimo z nasičenjem magnetnega vezja transformatorja. Toda za močne pretvornike takšne sheme niso sprejemljive, saj se izgube v stikalih povečajo, učinkovitost pa je na koncu nizka.Tudi vsak kratek stik na izhodu prekine lastna nihanja.

Boljša vezja predhodnih visokofrekvenčnih pretvornikov so flyback (do 150 W), push-pull (do 500 W), pol-most in most (več kot 500 W) krmilnikov PWM, kjer frekvenca pretvorbe doseže stotine kilohercev.

Vrste pretvornikov, načini delovanja

Enofazne napetostne pretvornike delimo v dve skupini: s čistim sinusom na izhodu in s modificiranim sinusom.Večina sodobnih naprav omogoča poenostavljeno obliko omrežnega signala (modificirani sinus).

Čisti sinus je pomemben pri napravah, ki imajo na vhodu elektromotor ali transformator ali če gre za posebno napravo, ki deluje samo s čistim sinusom na vhodu.

Trifazni pretvorniki se običajno uporabljajo za ustvarjanje trifaznega toka za elektromotorje, na primer za napajanje trifazni asinhroni motor… V tem primeru so navitja motorja neposredno povezana z izhodom pretvornika. Kar zadeva moč, je pretvornik izbran glede na njegovo konično vrednost za uporabnika.

Na splošno obstajajo trije načini delovanja pretvornika: zagon, neprekinjeno in preobremenitev. V načinu zagona (polnjenje zmogljivosti, zagon hladilnika) lahko moč podvoji nazivno vrednost pretvornika v delčku sekunde, kar je sprejemljivo za večino modelov. Stalni način - ustreza nazivni vrednosti pretvornika. Preobremenitveni način - ko je moč uporabnika 1,3-krat večja od nazivne - v tem načinu lahko povprečni pretvornik deluje približno pol ure.