Co to jest przetwornica napięcia, jak działa, zastosowanie przetwornicy

Do zamiany prądu stałego na prąd przemienny służą specjalne zasilacze elektroniczne zwane falownikami. Najczęściej falownik przekształca napięcie stałe o jednej wielkości w napięcie przemienne o innej wielkości.

Falownik jest więc generatorem okresowo zmieniającego się napięcia, przy czym przebieg napięcia może być sinusoidalny, zbliżony do sinusoidalnego lub pulsacyjny... Falowniki znajdują zastosowanie zarówno jako samodzielne urządzenia, jak i jako element systemów zasilania gwarantowanego (UPS).

W ramach bezprzerwowych źródeł zasilania (UPS) inwertery pozwalają np. na otrzymanie ciągłego zasilania systemów komputerowych, a w przypadku nagłego zaniku napięcia w sieci inwerter natychmiast zacznie dostarczać komputerowi energię uzyskaną z baterii rezerwowej. Przynajmniej użytkownik będzie miał czas na wyłączenie i wyłączenie komputera.

Większe zasilacze bezprzerwowe wykorzystują mocniejsze falowniki z akumulatorami o dużej pojemności, które mogą autonomicznie zasilać odbiorniki przez wiele godzin niezależnie od sieci, a gdy sieć powróci do normy, UPS automatycznie przełączy odbiorców bezpośrednio na sieć i rozpocznie ładowanie akumulatorów.

Strona techniczna

W nowoczesnych technologiach przetwarzania energii elektrycznej falownik może pełnić jedynie rolę jednostki pośredniej, gdzie jego zadaniem jest konwersja napięcia poprzez transformację o wysokiej częstotliwości (dziesiątki i setki kiloherców). Na szczęście dzisiaj ten problem można łatwo rozwiązać, ponieważ do opracowania i zaprojektowania falowników dostępne są zarówno przełączniki półprzewodnikowe zdolne wytrzymać prądy o wartości setek amperów, rdzenie magnetyczne o niezbędnych parametrach, jak i mikrokontrolery elektroniczne specjalnie zaprojektowane do falowników (w tym rezonansowych).

Wymagania stawiane falownikom, jak również innym urządzeniom zasilającym, to: wysoka sprawność, niezawodność, jak najmniejsze wymiary i waga. Konieczne jest również, aby falownik wytrzymał dopuszczalny poziom wyższych harmonicznych w napięciu wejściowym i nie generował nieakceptowalnie głośnego szumu impulsowego dla użytkowników.

W systemach z „zielonymi” źródłami energii elektrycznej (panele słoneczne, wiatraki) do dostarczania energii elektrycznej bezpośrednio do sieci ogólnej stosuje się inwertery sieciowe, które mogą pracować synchronicznie z siecią przemysłową.

Podczas pracy przetwornicy napięcia źródło stałego napięcia załączane jest okresowo do obwodu obciążenia o zmiennej polaryzacji, natomiast częstotliwość załączania i czas ich trwania kształtuje sygnał sterujący pochodzący ze sterownika.

Sterownik w falowniku zwykle wykonuje kilka funkcji: regulację napięcia wyjściowego, synchronizację pracy przełączników półprzewodnikowych, ochronę obwodu przed przeciążeniem. Ogólnie inwertery dzielą się na: inwertery autonomiczne (inwertery prądu i napięcia) oraz inwertery zależne (sterowane siecią, sterowane siecią itp.)

Obwód falownika

Przełączniki półprzewodnikowe falownika są sterowane przez sterownik i posiadają diody bocznikujące. Napięcie wyjściowe falownika, w zależności od aktualnej mocy obciążenia, jest regulowane poprzez automatyczną zmianę szerokości impulsu w przetwornicy wysokiej częstotliwości, w najprostszym przypadku PWM (modulacja szerokości impulsu).

Półfale wyjściowego napięcia niskiej częstotliwości muszą być symetryczne, aby obwody obciążenia w żadnym wypadku nie otrzymywały znacznej składowej stałej (w przypadku transformatorów jest to szczególnie niebezpieczne), w tym celu szerokość impulsu bloku LF (w najprostszy przypadek) jest stała.

W sterowaniu przełącznikami wyjściowymi falownika zastosowano algorytm zapewniający sekwencyjną zmianę struktur obwodu mocy: bezpośredni, zwarciowy, odwrotny.

Tak czy inaczej chwilowa wartość mocy obciążenia na wyjściu falownika ma charakter fal dwuczęstotliwościowych, dlatego źródło pierwotne musi umożliwiać taki tryb pracy, gdy płyną przez nie prądy tętniące i wytrzymywać odpowiedni poziom zakłóceń (na wejściu falownika).

Jeśli pierwsze falowniki były wyłącznie mechaniczne, dziś istnieje wiele opcji obwodów falowników półprzewodnikowych i istnieją tylko trzy typowe schematy: mostek bez transformatora, pchnięcie z zaciskiem zerowym transformatora, mostek z transformatorem.

Beztransformatorowy obwód mostkowy znajduje się w zasilaczach bezprzerwowych 500 VA i falownikach samochodowych. Obwód ślizgowy z zaciskiem neutralnym transformatora jest stosowany w zasilaczach UPS małej mocy (do komputerów) o mocy do 500 VA, w których napięcie akumulatora zapasowego wynosi 12 lub 24 woltów. Obwód mostkowy z transformatorem jest stosowany w potężnych źródłach zasilania awaryjnego (dla jednostek i dziesiątek kVA).

Przebieg napięcia wyjściowego

W prostokątnych przetwornicach napięcia na wyjściu przełączana jest grupa odwróconych przełączników diodowych, aby wytworzyć napięcie przemienne na obciążeniu i zapewnić kontrolowany tryb cyrkulacji w obwodzie energia bierna.

Za proporcjonalność napięcia wyjściowego odpowiadają: względny czas trwania impulsów sterujących lub przesunięcie fazowe między sygnałami sterującymi grup kluczy. W trybie niekontrolowanego obiegu mocy biernej użytkownik ma wpływ na kształt i wielkość napięcia wyjściowego falownika.

W przetwornicach napięcia z wyjściem schodkowym, przetwornica wstępna wysokiej częstotliwości tworzy jednobiegunową krzywą napięcia schodkowego, w przybliżeniu zbliżoną kształtem do fali sinusoidalnej, której okres jest równy połowie okresu napięcia wyjściowego. Obwód mostka LF następnie przekształca jednobiegunową krzywą schodkową w dwie połowy krzywej dwubiegunowej, która z grubsza przypomina falę sinusoidalną.

W przetwornicach napięcia o sinusoidalnym (lub zbliżonym do sinusoidalnego) kształcie wyjścia, przetwornica wstępna wysokiej częstotliwości generuje stałe napięcie o amplitudzie zbliżonej do przyszłej sinusoidalnej mocy wyjściowej.

Obwód mostka tworzy następnie zmienną o niskiej częstotliwości ze stałego napięcia za pomocą wielu PWM, gdy każda para tranzystorów w każdym półokresie tworzenia wyjściowej fali sinusoidalnej jest kilkakrotnie otwierana na czas zmieniający się zgodnie z prawem harmonicznym . Następnie filtr dolnoprzepustowy wyodrębnia sinusoidę z wynikowego kształtu fali.

Obwody wstępnej konwersji HF w falownikach

Najprostsze obwody wstępnej konwersji wysokiej częstotliwości w falownikach są samogenerujące. Są dość proste pod względem technicznym i dość wydajne przy niskich mocach (do 10-20 W) do zasilania odbiorników, które nie są krytyczne dla procesu zasilania. Częstotliwość oscylatorów wynosi nie więcej niż 10 kHz.

Pozytywne sprzężenie zwrotne w takich urządzeniach uzyskuje się przez nasycenie obwodu magnetycznego transformatora. Ale w przypadku potężnych falowników takie schematy są nie do przyjęcia, ponieważ straty w przełącznikach rosną, a wydajność jest ostatecznie niska.Również każde zwarcie na wyjściu przerywa samooscylacje.

Lepsze obwody wstępnych przetwornic wysokiej częstotliwości to flyback (do 150 W), przeciwsobny (do 500 W), półmostek i mostek (ponad 500 W) kontrolerów PWM, gdzie częstotliwość konwersji sięga setek kiloherców.

Rodzaje falowników, tryby pracy

Jednofazowe przetwornice napięcia dzielą się na dwie grupy: z czystą sinusoidą na wyjściu oraz z sinusoidą modyfikowaną Większość nowoczesnych urządzeń pozwala na uproszczoną postać sygnału sieciowego (modyfikowana fala sinusoidalna).

Czysta fala sinusoidalna jest ważna w przypadku urządzeń, które mają na wejściu silnik elektryczny lub transformator, lub jeśli jest to specjalne urządzenie, które pracuje tylko z czystą falą sinusoidalną na wejściu.

Falowniki trójfazowe są zwykle używane do generowania prądu trójfazowego dla silników elektrycznych, na przykład do zasilania trójfazowy silnik asynchroniczny… W tym przypadku uzwojenia silnika są bezpośrednio podłączone do wyjścia falownika. Pod względem mocy falownik jest wybierany na podstawie jego wartości szczytowej dla użytkownika.

Ogólnie rzecz biorąc, istnieją trzy tryby pracy falownika: start, ciągły i przeciążeniowy. W trybie rozruchu (ładowanie pojemności, uruchomienie lodówki) moc może podwoić moc znamionową falownika w ułamku sekundy, co jest akceptowalne dla większości modeli. Tryb ciągły - odpowiadający wartości znamionowej falownika. Tryb przeciążenia — gdy moc użytkownika jest 1,3 razy większa od mocy znamionowej — w tym trybie przeciętny falownik może pracować przez około pół godziny.