Introduzione a diversi tipi di inverter

L' alimentatore in corrente alternata (AC) viene utilizzato per quasi tutte le esigenze residenziali, commerciali e industriali. Ma il problema più grande con AC è che non può essere conservato per un uso futuro. Quindi la CA viene convertita in CC e quindi la CC viene immagazzinata nelle batterie e negli ultra-condensatori. E ora ogni volta che è necessaria la CA, la CC viene nuovamente convertita in CA per eseguire gli apparecchi basati su CA. Quindi il dispositivo che converte DC in AC si chiama Inverter. L'inverter viene utilizzato per convertire la CC in CA variabile. Questa variazione può essere nell'ampiezza della tensione, nel numero di fasi, nella frequenza o nella differenza di fase.

Classificazione dell'inverter

L'inverter può essere classificato in molte tipologie in base all'uscita, alla sorgente, al tipo di carico ecc. Di seguito è riportata la classificazione completa dei circuiti dell'inverter:

(I) Secondo la caratteristica di output

1. Inverter a onda quadra
2. Inverter a onda sinusoidale
3. Inverter a onda sinusoidale modificata

(II) Secondo la fonte dell'inverter

1. Inverter sorgente di corrente
2. Inverter sorgente di tensione

(III) Secondo il tipo di carico

1. Inverter monofase
   1. Inverter a mezzo ponte
   2. Inverter a ponte intero
2. Inverter trifase
   1. Modalità a 180 gradi
   2. Modalità a 120 gradi

(IV) Secondo diversa tecnica PWM

1. Modulazione di larghezza di impulso semplice (SPWM)
2. Modulazione di larghezza di impulso multipla (MPWM)
3. Modulazione di larghezza di impulso sinusoidale (SPWM)
4. Modulazione di larghezza di impulso sinusoidale modificata (MSPWM)

(V) In base al numero del livello di uscita

1. Inverter a due livelli normale
2. Inverter multilivello

Adesso ne discuteremo tutti uno per uno. Puoi controllare un esempio di circuito inverter da 12 V CC a 220 V CA qui.

(I) Secondo la caratteristica di output

A seconda della caratteristica di uscita di un inverter, possono esserci tre diversi tipi di inverter.

• Inverter a onda quadra
• Inverter a onda sinusoidale
• Inverter a onda sinusoidale modificata

1) Inverter onda quadra

La forma d'onda di uscita della tensione per questo inverter è un'onda quadra. Questo tipo di inverter è il meno utilizzato tra tutti gli altri tipi di inverter perché tutti gli apparecchi sono progettati per l'alimentazione a onda sinusoidale. Se forniamo un'onda quadra ad un apparecchio basato sull'onda sinusoidale, potrebbe danneggiarsi o le perdite sono molto elevate. Il costo di questo inverter è molto basso ma l'applicazione è molto rara. Può essere utilizzato in strumenti semplici con un motore universale.

2) Onda sinusoidale

La forma d'onda di uscita della tensione è un'onda sinusoidale e ci fornisce un'uscita molto simile all'alimentazione di rete. Questo è il principale vantaggio di questo inverter perché tutti gli apparecchi che stiamo utilizzando sono progettati per l'onda sinusoidale. Quindi, questo è l'output perfetto e garantisce che l'apparecchiatura funzionerà correttamente. Questo tipo di inverter è più costoso ma ampiamente utilizzato in applicazioni residenziali e commerciali.

3) Onda sinusoidale modificata

La costruzione di questo tipo di inverter è complessa rispetto al semplice inverter ad onda quadra ma più semplice rispetto all'inverter a onda sinusoidale pura. L'uscita di questo inverter non è né onda sinusoidale pura né onda quadra. L'uscita di tale inverter è la parte di due onde quadre. La forma d'onda di uscita non è esattamente un'onda sinusoidale, ma assomiglia alla forma di un'onda sinusoidale.

(II) Secondo la fonte dell'inverter

• Inverter sorgente di tensione
• Inverter sorgente di corrente

1) Inverter sorgente di corrente

In CSI, l'input è una sorgente corrente. Questo tipo di inverter viene utilizzato nell'applicazione industriale di media tensione, dove sono obbligatorie forme d'onda di corrente di alta qualità. Ma i CSI non sono popolari.

2) Inverter sorgente di tensione

In VSI, l'ingresso è una sorgente di tensione. Questo tipo di inverter viene utilizzato in tutte le applicazioni perché è più efficiente e ha una maggiore affidabilità e una risposta dinamica più rapida. VSI è in grado di far funzionare motori senza declassamento.

(III) Secondo il tipo di carico

• Inverter monofase
• Inverter trifase

1) inverter monofase

Generalmente, il carico residenziale e commerciale utilizza l'alimentazione monofase. Per questo tipo di applicazione viene utilizzato l'inverter monofase. L'inverter monofase è ulteriormente suddiviso in due parti;

• Inverter semiponte monofase
• Inverter monofase a ponte intero

A) Inverter monofase a mezzo ponte

Questo tipo di inverter è costituito da due tiristori e due diodi e il collegamento è come mostrato nella figura sottostante.

In questo caso, la tensione CC totale è Vs e divisa in due parti uguali Vs / 2. Il tempo per un ciclo è T sec.

Per mezzo ciclo di 0

Per la seconda metà del ciclo di T / 2

Vo = Vs / 2

Con questa operazione, possiamo ottenere una forma d'onda di tensione alternata con frequenza 1 / T Hz e ampiezza di picco Vs / 2. La forma d'onda in uscita è un'onda quadra. Sarà passato attraverso il filtro e rimuoverà le armoniche indesiderate che ci danno una forma d'onda sinusoidale pura. La frequenza della forma d'onda può essere controllata dal tempo ON (Ton) e dal tempo OFF (Toff) del tiristore.

L' ampiezza della tensione di uscita è la metà della tensione di alimentazione e il periodo di utilizzo della sorgente è del 50%. Questo è uno svantaggio dell'inverter a mezzo ponte e la soluzione è un inverter a ponte intero.

B) Inverter monofase a ponte intero

In questo tipo di inverter vengono utilizzati quattro tiristori e quattro diodi. Lo schema elettrico del ponte intero monofase è mostrato nella figura sottostante.

Alla volta due tiristori T1 e T2 conducono per la prima metà del ciclo 0 <t <T / 2. Durante questo periodo, la tensione di carico è Vs, che è simile alla tensione di alimentazione CC.

Per la seconda metà del ciclo T / 2 <t <T, conducono due tiristori T3 e T4. La tensione di carico durante questo periodo è -Vs.

Qui possiamo ottenere la tensione di uscita CA uguale alla tensione di alimentazione CC e il fattore di utilizzo della sorgente è del 100%. La forma d'onda della tensione di uscita è una forma d'onda quadra e i filtri vengono utilizzati per convertirla in un'onda sinusoidale.

Se tutti i tiristori conducono allo stesso tempo o in una coppia di (T1 e T3) o (T2 e T4), la sorgente verrà cortocircuitata. I diodi sono collegati nel circuito come diodo di feedback perché viene utilizzato per il feedback di energia alla sorgente CC.

Se confrontiamo un inverter full bridge con un inverter half bridge, per il dato carico di tensione di alimentazione CC, la tensione di uscita è due volte e l'uscita è potenza è quattro volte in inverter full bridge.

2) Inverter a ponte trifase

In caso di carico industriale viene utilizzata l'alimentazione trifase ac e per questo dobbiamo utilizzare un inverter trifase. In questo tipo di inverter, vengono utilizzati sei tiristori e sei diodi e sono collegati come mostrato nella figura sottostante.

Può funzionare in due modalità in base al grado degli impulsi di gate.

• Modalità a 180 gradi
• Modalità a 120 gradi

A) modalità 180 gradi

In questa modalità di funzionamento, il tempo di conduzione per il tiristore è di 180 gradi. In qualsiasi momento del periodo, tre tiristori (un tiristore per ciascuna fase) sono in modalità di conduzione. La forma della tensione di fase è costituita da tre forme d'onda a gradini e la forma della tensione di linea è un'onda quasi quadra come mostrato nella figura.

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

Fase A	T1	T4	T1	T4
Fase B	T6	T3	T6	T3	T6
Fase C	T5	T2	T5	T2	T5
Grado	60	120	180	240	300	360	60	120	180	240	300	360
Il tiristore conduce	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

In questa operazione, l'intervallo di tempo tra la commutazione del tiristore uscente e la conduzione del tiristore entrante è zero. Quindi è possibile la conduzione simultanea del tiristore in entrata e in uscita. Risulta in un cortocircuito della sorgente. Per evitare questa difficoltà, viene utilizzata la modalità di funzionamento a 120 gradi.

B) modalità a 120 gradi

In questa operazione, alla volta conducono solo due tiristori. Una delle fasi del tiristore non è né collegata al terminale positivo né collegata al terminale negativo. Il tempo di conduzione per ogni tiristore è di 120 gradi. La forma della tensione di linea è una forma d'onda a tre gradini e la forma della tensione di fase è una forma d'onda quasi quadrata.

Fase A	T1		T4		T1		T4
Fase B	T6		T3		T6		T3		T6
Fase C		T2		T5		T2		T5
grado	60	120	180	240	300	360	60	120	180	240	300	360
Il tiristore conduce	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'onda della tensione di linea, della tensione di fase e dell'impulso di gate del tiristore è come mostrato nella figura sopra.

In tutti gli interruttori elettronici di potenza, ci sono due tipi di perdite; perdita di conduzione e perdita di commutazione. La perdita di conduzione significa perdita di stato ON nell'interruttore e la perdita di commutazione significa perdita di stato OFF nell'interruttore. Generalmente, la perdita di conduzione è maggiore della perdita di commutazione nella maggior parte delle operazioni.

Se consideriamo la modalità a 180 gradi per un'operazione a 60 gradi, tre interruttori sono aperti e tre interruttori sono chiusi. Significa che la perdita totale è uguale a tre volte la perdita di conduzione più tre volte la perdita di commutazione.

Perdita totale a 180 gradi = 3 (perdita di conduttanza) + 3 (perdita di commutazione)

Se consideriamo la modalità a 120 gradi per un'operazione a 60 gradi, due interruttori sono aperti e il resto dei quattro interruttori sono chiusi. Significa che la perdita totale è uguale a due volte la perdita di conduttanza più quattro volte la perdita di commutazione.

Perdita totale a 120 gradi = 2 (perdita di conduttanza) + 4 (perdita di commutazione)

(IV) Classificazione secondo la tecnica di controllo

• Modulazione a larghezza di impulso singolo (PWM singolo)
• Modulazione di larghezza di impulso multipla (MPWM)
• Modulazione di larghezza di impulso sinusoidale (SPWM)
• Modulazione di larghezza di impulso sinusoidale modificata (MSPWM)

L'uscita dell'inverter è un segnale ad onda quadra e questo segnale non viene utilizzato per il carico. La tecnica della modulazione di larghezza di impulso (PWM) viene utilizzata per controllare la tensione di uscita CA. Questo controllo è ottenuto controllando il periodo di accensione e spegnimento degli interruttori. Nella tecnica PWM vengono utilizzati due segnali; uno è il segnale di riferimento e il secondo è il segnale portante triangolare. L'impulso di gate per gli interruttori viene generato confrontando questi due segnali. Esistono diversi tipi di tecniche PWM.

1) Modulazione a larghezza di impulso singolo (PWM singolo)

Per ogni mezzo ciclo, l'unico impulso è disponibile in questa tecnica di controllo. Il segnale di riferimento è un segnale a onda quadra e il segnale portante è un segnale a onda triangolare. L'impulso di gate per gli interruttori viene generato confrontando il segnale di riferimento e il segnale portante. La frequenza della tensione di uscita è controllata dalla frequenza del segnale di riferimento. L'ampiezza del segnale di riferimento è Ar e l'ampiezza del segnale portante è Ac, quindi l'indice di modulazione può essere definito come Ar / Ac. Lo svantaggio principale di questa tecnica è l'alto contenuto armonico.

2) Multiple Pulse Width Modulation (MPWM)

Lo svantaggio della tecnica di modulazione della larghezza di impulso singolo è risolto da più PWM. In questa tecnica, invece di un impulso, vengono utilizzati diversi impulsi in ciascun semiciclo della tensione di uscita. Il gate viene generato confrontando il segnale di riferimento e il segnale portante. La frequenza di uscita è controllata controllando la frequenza del segnale portante. L'indice di modulazione viene utilizzato per controllare la tensione di uscita.

Il numero di impulsi per mezzo ciclo = fc / (2 * f0)

Dove fc = frequenza del segnale portante

f0 = frequenza del segnale di uscita

3) Modulazione di larghezza di impulso sinusoidale (SPWM)

Questa tecnica di controllo è ampiamente utilizzata nelle applicazioni industriali. In entrambi i metodi sopra, il segnale di riferimento è un segnale ad onda quadra. Ma in questo metodo, il segnale di riferimento è un segnale a onda sinusoidale. L'impulso di gate per gli interruttori viene generato confrontando il segnale di riferimento dell'onda sinusoidale con l'onda portante triangolare. La larghezza di ogni impulso varia con la variazione dell'ampiezza dell'onda sinusoidale. La frequenza della forma d'onda di uscita è la stessa della frequenza del segnale di riferimento. La tensione di uscita è un'onda sinusoidale e la tensione RMS può essere controllata dall'indice di modulazione. Le forme d'onda sono come mostrato nella figura sotto.

4) Modulazione di larghezza di impulso sinusoidale modificata (MSPWM)

A causa della caratteristica dell'onda sinusoidale, l'ampiezza dell'impulso dell'onda non può essere modificata con la variazione dell'indice di modulazione nella tecnica SPWM. Questo è il motivo per cui viene introdotta la tecnica MSPWN. In questa tecnica, il segnale portante viene applicato durante il primo e l'ultimo intervallo di 60 gradi di ciascun semiciclo. In questo modo si migliora la sua caratteristica armonica. Il vantaggio principale di questa tecnica è un aumento della componente fondamentale, un numero ridotto di dispositivi di commutazione e una minore perdita di commutazione. La forma d'onda è come mostrato nella figura sotto.

(V) Secondo il numero di livelli in uscita

• Inverter a due livelli normale
• Inverter multilivello

1) Inverter a due livelli normale

Questi inverter hanno solo livelli di tensione in uscita che sono tensione di picco positiva e tensione di picco negativa. A volte, avere un livello di tensione zero è anche noto come inverter a due livelli.

2) Inverter multilivello

Questi inverter possono avere più livelli di tensione in uscita. L'inverter multilivello è diviso in quattro parti.

- Inverter a condensatore volante

- Inverter bloccato da diodo

- Inverter ibrido

- Inverter tipo H in cascata

Ogni inverter ha il proprio design per il funzionamento, qui abbiamo spiegato brevemente questi inverter per avere un'idea di base su di loro.