Obrnite usmerjevalno vezje, priključite en konec na enosmerni tok (DC), drugi konec pa lahko odvede izmenični tok (AC). To je pretvornik, naprava, ki pretvarja enosmerni tok v izmenični.
Večina komercialnih, industrijskih in stanovanjskih obremenitev zahteva napajanje z izmeničnim tokom, vendar izmeničnega toka ni mogoče shraniti v baterije, zato je shranjevanje v baterijah pomembno za rezervno napajanje. Dandanes je to napako mogoče premagati z enosmernim napajalnikom.
Polarnost enosmernega napajanja se sčasoma ne spreminja kot izmenični tok, zato se enosmerni tok lahko shrani v baterije in superkondenzatorje. Tako lahko najprej pretvorimo izmenični tok v enosmerni in ga nato shranimo v baterijo. Na ta način, kadarkoli je za delovanje naprav z izmeničnim tokom potrebna izmenična napetost, se enosmerna energija pretvori nazaj v izmenični tok za delovanje naprav z izmeničnim tokom.
Glede na vhodni vir, način povezave, valovno obliko izhodne napetosti itd. aplikacije so pretvorniki razdeljeni v naslednjih 17 glavnih kategorij.
1. Razvrstite po vhodnem viru
Vhod razsmernika je lahko napetostni vir ali tokovni vir, zato ga delimo na napetostne inverterje (VSI) in tokovne inverterje (CSI).
Pretvornik napetostnega vira (VSI)
Če je vhod pretvornika vir konstantne enosmerne napetosti, se razsmernik imenuje pretvornik napetostnega vira.
Na vhodu pretvornika napetostnega vira je togi vir enosmerne napetosti z ničelno impedanco. Pravzaprav lahko impedanco vira enosmerne napetosti zanemarimo. Ob predpostavki, da se VSI napaja iz idealnega napetostnega vira (ekstremno nizka impedanca), je AC izhodna napetost v celoti določena s stanjem preklopnih naprav v pretvorniku in uporabljenim enosmernim napajanjem.
Inverter tokovnega vira (CSI)
Če je vhod pretvornika vir konstantnega enosmernega toka, se razsmernik imenuje pretvornik tokovnega vira.
Togi tok se napaja iz vira enosmernega napajanja v CSI, kjer ima vir enosmernega napajanja visoko impedanco. Običajno se za zagotavljanje togih tokov uporabljajo veliki induktorji ali krmilni tokovi zaprte zanke. Nastali tokovni val je tog in nanj obremenitev ne vpliva. AC izhodni tok je v celoti določen s preklopnimi napravami v pretvorniku in stanjem enosmernega napajanja.
2. Razvrsti po izhodni fazi
Glede na izhodno napetost in fazo toka so pretvorniki v glavnem razdeljeni v dve kategoriji: enofazni pretvorniki in trifazni pretvorniki.
Enofazni pretvornik
Enofazni pretvornik pretvori enosmerni vhod v enofazni izhod. Izhodna napetost/tok enofaznega pretvornika ima samo eno fazo, njegova nazivna frekvenca pa je nazivna napetost 50Hz ali 60Hz.
Nazivna napetost je opredeljena kot nivo napetosti, pri kateri deluje električni sistem. Obstajajo različne nazivne napetosti, in sicer 120V, 220V, 440V, 690V, 3,3KV, 6,6KV, 11kV, 33kV, 66kV, 132kV, 220kV, 400kV in 765kV. Nizko nazivno napetost je mogoče neposredno doseči z uporabo notranjih transformatorjev ali inverterjev z ojačevalnimi in zniževalnimi vezji, medtem ko se za visoko nazivno napetost uporabljajo zunanji ojačevalni transformatorji.
Enofazni pretvorniki se uporabljajo za nizke obremenitve. Enofazne izgube so večje, enofazni izkoristek pa nižji od trifaznih pretvornikov. Zato so trifazni pretvorniki prednostna izbira za visoke obremenitve.
Trifazni pretvornik
Trifazni pretvornik pretvarja enosmerni tok v trifazno. Trifazni napajalnik zagotavlja tri kanale izmeničnega toka z enakomerno ločenimi faznimi koti. Amplituda in frekvenca vseh treh valov, ki nastanejo na izhodnem koncu, sta enaki, vendar se nekoliko spreminjata zaradi obremenitve, vsak val pa ima fazni zamik med seboj za 120 stopinj.
V bistvu je en sam trifazni pretvornik sestavljen iz treh enofaznih pretvornikov, vsak s fazno razdaljo 120 stopinj, in vsak enofazni pretvornik je priključen na enega od treh bremenskih sponk.
3. Razvrščeno po komutacijski tehnologiji
Glede na tehnologijo komutacije ga lahko razdelimo na dve glavni vrsti: pretvornike s komutacijo na liniji in pretvornike s prisilno komutacijo. Poleg tega lahko obstajajo pomožni komutacijski razsmerniki in komplementarni komutacijski pretvorniki, a ker se pogosto ne uporabljajo, bomo tukaj na kratko obravnavali dva glavna tipa.
Obrat vrstice
Pri teh vrstah razsmernikov je mogoče omrežno napetost izmeničnega tokokroga pridobiti prek opreme; Ko tok v SCR doživi ničelne značilnosti, se naprava izklopi. Ta proces komutacije se imenuje linijska komutacija, inverterji, ki delujejo po tem principu, pa se imenujejo linijski komutacijski razsmerniki.
Prisilna komutacija
Pri tej vrsti komutacije v napajalniku ne bo ničelne točke. Zato so za popravilo naprave potrebni nekateri zunanji viri. Ta proces komutacije se imenuje prisilna komutacija, pretvorniki, ki temeljijo na tem procesu, pa se imenujejo razsmerniki s prisilno komutacijo.
4. Razvrščeno po načinu povezave
Glede na način povezovanja tiristorjev v vezju ga lahko razdelimo na serijske pretvornike, vzporedne pretvornike in mostne pretvornike, med katerimi so premostitveni pretvorniki nadalje razdeljeni na polovični most, polni most in trifazni most.
Serijski pretvornik
Serijski pretvornik je sestavljen iz para tiristorjev in tokokrogov RLC (upor, induktivnost in kapacitivnost). En tiristor je vezan vzporedno z RLC vezjem, en tiristor pa zaporedno med enosmernim napajalnikom in RLC vezjem. To vrsto pretvornika imenujemo serijski pretvornik, ker je obremenitev s pomočjo tiristorjev neposredno zaporedno povezana z enosmernim virom napajanja.
Serijski pretvorniki so znani tudi kot samokomutacijski pretvorniki, ker se tiristorji te vrste pretvornikov sami preklopijo z obremenitvijo. Drugo ime za ta pretvornik je "pretvornik s komutacijo bremena". Razlog za to ime je, da je LCR obremenitev, ki zagotavlja komutacijo.
Vzporedni pretvornik
Vzporedni inverter je sestavljen iz dveh tiristorjev, kondenzatorja, sredinskega transformatorja in induktorja. Tiristorji se uporabljajo za zagotavljanje poti tokovnega toka, medtem ko se induktorji uporabljajo za ohranjanje konstantnega vira toka. Prevod in izklop teh tiristorjev nadzirajo med njimi povezani komutacijski kondenzatorji.
Imenuje se vzporedni pretvornik, ker je med delovanjem kondenzator povezan vzporedno z bremenom prek transformatorja.
Polmostni pretvornik
Polmostni pretvornik za delovanje potrebuje dve elektronski stikali. Stikala so lahko MOSFET, IJBT, BJT ali tiristorji.Polmost s tiristorskimi in BJT stikali zahteva dve dodatni diodi, razen za čiste uporovne obremenitve, medtem ko imajo MOSFET-ji vgrajene diode. Skratka, dve stikali zadostujeta za čiste uporovne obremenitve, medtem ko druge obremenitve (induktorji in kondenzatorji) zahtevajo dve dodatni diodi. Te diode imenujemo povratne diode ali diode s prostim tekom.
Načelo delovanja polmostnega pretvornika je enako za vsa stikala, tukaj pa govorimo o polmostnem pretvorniku s tiristorskimi stikali. Tiristorja sta dva komplementarna, kar pomeni prevajanje enega tiristorja naenkrat. Za uporovne obremenitve vezje deluje v dveh načinih. Preklopna frekvenca bo določila izhodno frekvenco. Ko je izhodna frekvenca 50 HZ, vsak tiristor prevaja enkrat za 20 ms.
Polni mostni pretvornik
Enofazni pretvornik s polnim mostom ima štiri krmiljena stikala, ki se uporabljajo za krmiljenje smeri toka toka v bremenu. Ta most ima 4 povratne diode, ki lahko vrnejo energijo, shranjeno v obremenitvi, v napajalnik. Te povratne diode delujejo le, ko so vsi tiristorji izklopljeni in obremenitev ni zgolj uporovna.
Pri kateri koli obremenitvi hkrati delujeta samo 2 tiristorja. Tiristorja T1 in T2 bosta prevajala v enem ciklu, medtem ko bosta T3 in T4 prevajala v drugem ciklu. Z drugimi besedami, ko sta T1 in T2 v stanju ON, sta T3 in T4 v stanju OFF, medtem ko sta T3 in T4 v stanju ON, sta druga dva v stanju OFF. Odpiranje dveh ali več tiristorjev hkrati lahko povzroči kratek stik, ustvarja prekomerno toploto in takoj prežge tokokrog.
Trifazni mostični pretvornik
Industrijska in druga velika bremena zahtevajo trifazno napajanje. Za delovanje teh velikih obremenitev iz naprav za shranjevanje ali drugih virov enosmernega napajanja je potreben trifazni pretvornik. V ta namen lahko uporabite trifazni premostitveni pretvornik.
Trifazni mostični pretvornik je druga vrsta premostitvenega pretvornika, sestavljen iz 6 krmiljenih stikal in 6 diod, kot je prikazano na sliki.
5. Razvrščeno po načinu delovanja
Glede na način delovanja so razsmerniki razdeljeni v tri glavne kategorije:
Neodvisni pretvornik
Neodvisni pretvornik je neposredno povezan z obremenitvijo in ga ne bodo prekinili drugi viri napajanja. Neodvisni razsmernik ali "razsmernik v načinu izklopljenega omrežja", pretvornik napaja obremenitev neodvisno, ne da bi nanj vplivalo omrežje ali drugi viri energije.
Ti razsmerniki se imenujejo pretvorniki iz omrežnega načina, ker nanje ne vpliva električno omrežje. Teh pretvornikov ni mogoče priključiti na električno omrežje, ker nimajo možnosti sinhronizacije, pri čemer je sinhronizacija postopek usklajevanja faze in nazivne frekvence (50/60 Hz) dveh virov izmeničnega toka.
Omrežni pretvornik
Omrežni ali omrežni razsmerniki (GTI) imajo dve glavni funkciji. Ena od funkcij omrežnih razsmernikov je zagotavljanje izmeničnega toka iz pomnilniških naprav (virov enosmernega toka) za izmenične tovore, druga funkcija omrežnih pretvornikov pa je zagotavljanje dodatnega napajanja v omrežju.
Omrežni razsmerniki, znani tudi kot komunalni interaktivni razsmerniki, omrežni povezovalni inverterji ali omrežni povratni inverterji, sinhronizirajo frekvenco in fazo toka, da se prilagodijo električnemu omrežju. S povečanjem nivoja napetosti pretvornika se moč prenaša iz vira enosmerne energije v električno omrežje.
Pretvornik z dvema vrhoma
Razsmernik z dvema vrhoma lahko deluje kot razsmernik, povezan z omrežjem, in kot neodvisen pretvornik. Ti pretvorniki lahko vnašajo dodatno energijo iz obnovljivih virov energije in naprav za shranjevanje v omrežje ter pridobivajo električno energijo iz omrežja, ko je energija, proizvedena z obnovljivo energijo, nezadostna. Z drugimi besedami, ti pretvorniki lahko delujejo kot neodvisni razsmerniki in razsmerniki, povezani z omrežjem, v skladu z zahtevami obremenitve. Pretvorniki z dvema vrhoma so večnamenski, vključno s funkcijami neodvisnih pretvornikov in pretvornikov, povezanih z omrežjem.
Funkcija pretvornika z dvema vrhoma se bo spreminjala glede na obremenitev. Če pride do težav z električnim omrežjem ali ko moč obnovljivih virov energije zadostuje za pokrivanje obremenitve, se njegova funkcija spremeni v neodvisni razsmernik (postane neodvisni razsmernik). V tem primeru bo preklopno stikalo izključilo pretvornik iz omrežja.
Ko obnovljiva energija začne ustvarjati dodatno energijo, se bo način delovanja premaknil iz neodvisnega načina v način, povezan z omrežjem. Inverter sinhronizira svojo fazo in frekvenco z inverterjem in začne vnašati dodatno energijo v omrežje.
6. Razvrstite po izhodni valovni obliki
Idealni pretvornik se nanaša na pretvornik, ki pretvarja enosmerne signale v čiste sinusne izhode izmeničnega toka. Težava pri dejanskih pretvornikih je, da njihovi izhodni signali niso čisto sinusni. Glede na izhodno valovno obliko so pretvorniki razdeljeni v tri kategorije:
Pretvornik kvadratnega valovanja
To so najpreprostejši pretvorniki za pretvorbo enosmernega toka v izmenični tok, vendar izhodna valovna oblika ni zahtevani čisti sinusni val. Ti pretvorniki imajo kvadratne valove na izhodnem koncu. Z drugimi besedami, ti pretvorniki pretvorijo enosmerni vhod v izmenični v obliki kvadratnih valov. Medtem so kvadratni inverterji tudi cenejši.
Najenostavnejša struktura teh pretvornikov je lahko razsmernik H-most. Kot je prikazano na sliki, lahko z uporabo stikal SPDT (single push double throw) pred transformatorjem dosežete preprostejšo različico. Ta transformator bo tudi pomagal doseči želeno raven izhodne napetosti.
Delovanje danega modela je izjemno preprosto. Preprost vklop in izklop stikala bo istočasno spremenil tok na izhodnem priključku. Z drugimi besedami, preklapljanje enopolnega dvojnega toka na želeno frekvenco bo ustvarilo kvadratne valove izmeničnega toka na izhodu tipičnega pretvornika (tj. transformatorja s sredinskim odvodom). Harmonično popačenje tipičnega sinusnega vala je približno 45 %, kar je mogoče dodatno zmanjšati z uporabo filtrov za filtriranje nekaterih harmonikov.
Kvazi sinusni pretvornik
Kvazi sinusni inverter, znan tudi kot modificiran sinusni inverter s stopničastimi sinusnimi valovi. Z drugimi besedami, izhodni signali teh pretvornikov postopoma naraščajo v pozitivni polarnosti. Po dosegu pozitivnega vrha se izhodni signal postopoma zmanjšuje, dokler ne doseže negativnega vrha, kot je prikazano na sliki.
Struktura pretvornika s kvazi sinusnim valom je veliko enostavnejša od razsmernika s čistim sinusnim valom, vendar bolj zapletena od pretvornika s čistim kvadratnim valom.
Čeprav končna izhodna valovna oblika teh pretvornikov ni čisti sinusni val, je harmonično popačenje izhoda vseeno zmanjšano na 24 %. Filtriranje bo dodatno zmanjšalo popačenje, vendar je količina popačenja še vedno pomembna. Zaradi tega ti pretvorniki niso najboljša izbira za pogon različnih bremen, vključno z elektronskimi vezji.
Kvazi sinusni valovi lahko trajno poškodujejo elektronske naprave s časovniki v vezju. Če so priključeni na kvazi sinusni pretvornik, vsi električni aparati z motorji ne bodo delovali tako učinkovito kot tisti, priključeni na čisti sinusni pretvornik. Poleg tega lahko hitri prehodi valov povzročijo šum. Zaradi teh težav je uporaba kvazi sinusnih pretvornikov omejena.
Čisti sinusni pretvornik
Čisti sinusni pretvornik pretvori enosmerni tok v skoraj čisti sinusni izmenični tok. Izhodna valovna oblika pretvornika s čistim sinusnim valom še vedno ni idealen sinusni val, vendar je veliko bolj gladka kot pretvorniki s pravokotnim in kvazi sinusnim valom.
Izhodna valovna oblika pretvornika s čistim sinusnim valom ima izjemno nizke harmonike. Harmoniki so sinusni valovi z lihimi večkratniki osnovne frekvence različnih amplitud. Harmoniki so zelo nepriljubljeni, saj lahko povzročijo resne težave z različnimi električnimi napravami. Z uporabo različnih tehnik PWM in nato s prehodom izhodnega signala skozi nizkopasovni filter je mogoče te harmonike še dodatno zmanjšati.
Konstrukcija in delovanje pretvornikov s čistim sinusnim valom sta veliko bolj zapletena kot razsmerniki s pravokotnim in modificiranim pravokotnim valom.
Ti pretvorniki so boljši od prvih dveh pretvornikov, ker večina električne opreme za boljše delovanje potrebuje čiste sinusne valove. Kot smo že omenili, lahko pretvorniki kvadratnega ali kvazi sinusnega vala poškodujejo električne naprave, zlasti tiste, ki so opremljene z motorji. Zato se za praktično uporabo uporablja čisti sinusni pretvornik.
7. Razvrščeno po številu izhodnih ravni
Izhodni nivo katerega koli pretvornika je lahko vsaj dva ali več. Glede na število izhodnih stopenj delimo razsmernike v dve kategoriji: dvonivojske in večnivojske razsmernike.
Dvostopenjski pretvornik
Dvonivojski pretvornik ima dve izhodni ravni. Izhodna napetost se spreminja med pozitivno in negativno ter se spreminja na osnovni frekvenci (50 Hz ali 60 Hz).
Nekateri tako imenovani "dvonivojski pretvorniki" imajo tri stopnje v svoji izhodni valovni obliki. Razlog za razvrstitev trinivojskih razsmernikov v to kategorijo je, da je ena od stopenj ničnapetostna. Pravzaprav je nič tretja stopnja, vendar je še vedno razvrščena kot dvostopenjski pretvornik.
Dvonivojsko invertersko vezje je sestavljeno iz vira in nekaj stikal, ki nadzorujejo tok ali napetost. Zaradi omejitev stikalnih izgub in nazivnih vrednosti naprave je visokofrekvenčno delovanje dvonivojskih pretvornikov v visokonapetostnih aplikacijah omejeno. Vendar pa je nazivno vrednost stikala mogoče povečati z zaporednimi in vzporednimi kombinacijami. Skupina stikal, ki zagotavlja pozitiven pol cikel v dvonivojskem pretvorniku, se imenuje pozitivna skupinska stikala, druga skupina stikal, ki zagotavlja negativen pol cikel, pa se imenuje negativna skupinska stikala.
Zaradi naslednjih razlogov dvonivojski pretvornik ni zaželen. Pretvorniki potrebujejo minimalno število stikal in virov energije za delovanje in pretvorbo moči v majhnih napetostnih korakih. Manjši napetostni korak bo zagotovil visokokakovostne valovne oblike. Poleg tega lahko tudi zmanjša napetost (dv/dt) obremenitev in težave z elektromagnetno združljivostjo bremena. Zato so večnivojski pretvorniki bolj praktična prva izbira.
Večstopenjski pretvornik (MLI)
Večnivojski pretvornik pretvori enosmerne signale v večnivojske stopničaste valovne oblike. Izhodna valovna oblika večstopenjskega pretvornika ni neposredno izmenično pozitivna in negativna, temveč večnivojska. Zaradi dejstva, da je gladkost valovne oblike neposredno sorazmerna s številom napetostnih nivojev. Zato bodo večnivojski pretvorniki ustvarili bolj gladke valovne oblike. Kot smo že omenili, je ta lastnost primerna za praktično uporabo.
Zaključek:
Ta članek predstavlja 17 glavnih tipov razsmernikov, dejansko pa obstaja veliko drugih razvrstitev razsmernikov. Na primer, večnivojske pretvornike lahko razdelimo tudi na razsmernike z letečim kondenzatorjem (FCMI), pretvornike s pripetimi diodami (DCMI) in kaskadne pretvornike H-mosta.
Z vidika praktične uporabe so trifazni pretvorniki primerni za aplikacije z visoko obremenitvijo, pretvorniki s čistim sinusom lahko bolje zaščitijo električne naprave, večnivojski pretvorniki pa so bolj praktična izbira.