Keer het gelijkrichtcircuit om, sluit het ene uiteinde aan op gelijkstroom (DC) en het andere uiteinde kan wisselstroom (AC) naar buiten leiden. Dit is een omvormer, een apparaat dat gelijkstroom omzet in wisselstroom.
De meeste commerciële, industriële en residentiële belastingen hebben wisselstroom nodig, maar wisselstroom kan niet in batterijen worden opgeslagen en batterijopslag is belangrijk als back-upstroom. Tegenwoordig kan dit defect worden verholpen door een gelijkstroomvoeding.
De polariteit van gelijkstroom verandert niet in de loop van de tijd, zoals bij wisselstroom, dus gelijkstroom kan worden opgeslagen in batterijen en supercondensatoren. We kunnen dus eerst wisselstroom omzetten in gelijkstroom en deze vervolgens opslaan in de batterij. Op deze manier wordt gelijkstroom, wanneer er wisselstroom nodig is om wisselstroomapparaten te laten werken, weer omgezet in wisselstroom om wisselstroomapparaten te laten werken.
Afhankelijk van de ingangsbron, verbindingsmethode, uitgangsspanningsgolfvorm, enz. van de toepassing, worden omvormers onderverdeeld in de volgende 17 hoofdcategorieën.
1. Classificeer op invoerbron
De ingang van een omvormer kan een spanningsbron of een stroombron zijn en is daarom onderverdeeld in spanningsbronomvormers (VSI) en stroombronomvormers (CSI).
Spanningsbronomvormer (VSI)
Wanneer de ingang van de omvormer een constante gelijkspanningsbron is, wordt de omvormer een spanningsbronomvormer genoemd.
De ingang van de spanningsbronomvormer heeft een starre gelijkspanningsbron met nulimpedantie. In feite kan de impedantie van een gelijkspanningsbron worden genegeerd. Ervan uitgaande dat VSI wordt gevoed door een ideale spanningsbron (bron met extreem lage impedantie), wordt de AC-uitgangsspanning volledig bepaald door de status van de schakelapparaten in de omvormer en de aangelegde DC-voeding.
Stroombronomvormer (CSI)
Wanneer de ingang van de omvormer een constante gelijkstroombron is, wordt de omvormer een stroombronomvormer genoemd.
Stijve stroom wordt geleverd door een gelijkstroomvoedingsbron naar CSI, waar de gelijkstroomvoedingsbron een hoge impedantie heeft. Meestal worden grote inductoren of regelstromen met gesloten lus gebruikt om stijve stromen te leveren. De resulterende stroomgolf is stijf en wordt niet beïnvloed door de belasting. De AC-uitgangsstroom wordt volledig bepaald door de schakelapparaten in de omvormer en de status van de DC-voeding.
2. Classificeer op uitgangsfase
Afhankelijk van de uitgangsspanning en stroomfase worden omvormers hoofdzakelijk onderverdeeld in twee categorieën: eenfasige omvormers en driefasige omvormers.
Eenfasige omvormer
Een eenfasige omvormer zet gelijkstroominvoer om in eenfasige uitvoer. De uitgangsspanning/stroom van een eenfasige omvormer heeft slechts één fase en de nominale frequentie is de nominale spanning van 50 Hz of 60 Hz.
De nominale spanning wordt gedefinieerd als het spanningsniveau waarop het elektrische systeem werkt. Er zijn verschillende nominale spanningen, namelijk 120V, 220V, 440V, 690V, 3,3KV, 6,6KV, 11kV, 33kV, 66kV, 132kV, 220kV, 400kV en 765kV. Een lage nominale spanning kan direct worden bereikt door het gebruik van interne transformatoren of omvormers met boost- en buck-circuits, terwijl voor hoge nominale spanning externe boosttransformatoren worden gebruikt.
Enkelfasige omvormers worden gebruikt voor lage belastingen. Eenfasige verliezen zijn hoger en eenfasige efficiëntie is lager dan die van driefasige omvormers. Daarom hebben driefasige omvormers de voorkeur bij hoge belastingen.
Driefasige omvormer
Een driefasige omvormer zet gelijkstroom om in driefasige stroom. Een driefasige voeding levert drie kanalen wisselstroom met uniform gescheiden fasehoeken. De amplitude en frequentie van alle drie de golven die aan de uitgangszijde worden gegenereerd, zijn hetzelfde, maar variëren enigszins als gevolg van de belasting, en elke golf heeft een faseverschuiving van 120 graden tussen elkaar.
In principe bestaat een enkele driefasige omvormer uit drie eenfasige omvormers, elk met een faseafstand van 120 graden, en elke eenfasige omvormer is aangesloten op een van de drie belastingsklemmen.
3. Geclassificeerd op basis van commutatietechnologie
Volgens de commutatietechnologie kan deze worden onderverdeeld in twee hoofdtypen: lijncommutatie en geforceerde commutatie-omvormers. Daarnaast kunnen er aanvullende commutatie-omvormers en complementaire commutatie-omvormers zijn, maar omdat deze niet vaak worden gebruikt, zullen we de twee hoofdtypen hier kort bespreken.
Lijnomkering
Bij dit soort omvormers kan de lijnspanning van het wisselstroomcircuit via apparatuur worden verkregen; Wanneer de stroom in SCR nulkarakteristieken ervaart, wordt het apparaat uitgeschakeld. Dit commutatieproces wordt lijncommutatie genoemd, en omvormers die op dit principe werken, worden lijncommutatie-omvormers genoemd.
Gedwongen afkoop
Bij dit type commutatie zal er geen nulpunt in de stroomvoorziening zijn. Daarom zijn er enkele externe bronnen nodig om het apparaat te corrigeren. Dit commutatieproces wordt geforceerde commutatie genoemd, en omvormers die op dit proces zijn gebaseerd, worden geforceerde commutatie-omvormers genoemd.
4. Geclassificeerd op aansluitmethode
Volgens de verbindingsmethode van thyristors in het circuit, kan deze worden onderverdeeld in serieomvormers, parallelle omvormers en brugomvormers, waaronder brugomvormers verder onderverdeeld in halve brug, volledige brug en driefasige brug.
Serie omvormer
Een serieomvormer bestaat uit een paar thyristors en RLC-circuits (weerstand, inductie en capaciteit). Eén thyristor is parallel verbonden met het RLC-circuit en één thyristor is in serie geschakeld tussen de gelijkstroomvoeding en het RLC-circuit. Dit type omvormer wordt een serieomvormer genoemd omdat de belasting met behulp van thyristors rechtstreeks in serie is verbonden met de gelijkstroombron.
Serie-omvormers worden ook wel zelf-commutatie-omvormers genoemd, omdat de thyristors van dit type omvormer zelf-gecommuteerd worden door de belasting. Een andere naam voor deze omvormer is ‘load commutatie inverter’. De reden voor het geven van deze naam is dat LCR een belasting is die voor commutatie zorgt.
Parallelle omvormer
Een parallelle omvormer bestaat uit twee thyristors, een condensator, een middenaftaktransformator en een inductor. Thyristors worden gebruikt om een pad voor de stroom te bieden, terwijl inductoren worden gebruikt om de stroombron constant te houden. De geleiding en uitschakeling van deze thyristors worden geregeld door de commutatiecondensatoren die ertussen zijn aangesloten.
Het wordt een parallelle omvormer genoemd omdat tijdens bedrijf de condensator parallel is aangesloten op de belasting via een transformator.
Halfbrug-omvormer
Een halfbrugomvormer heeft twee elektronische schakelaars nodig om te kunnen werken. Schakelaars kunnen MOSFET's, IJBT's, BJT's of thyristors zijn.Een halve brug met thyristor- en BJT-schakelaars vereist twee extra diodes, behalve voor pure resistieve belastingen, terwijl MOSFET's ingebouwde diodes hebben. Kortom, twee schakelaars zijn voldoende om aan zuivere resistieve belastingen te voldoen, terwijl voor andere belastingen (inductoren en condensatoren) twee extra diodes nodig zijn. Deze diodes worden feedbackdiodes of vrijloopdiodes genoemd.
Het werkingsprincipe van een halve brugomvormer is voor alle schakelaars hetzelfde, maar hier bespreken we een halve brug met thyristorschakelaars. Er zijn twee complementaire thyristors, wat betekent dat er één thyristor tegelijk moet worden geleid. Voor ohmse belastingen werkt het circuit in twee modi. De schakelfrequentie bepaalt de uitgangsfrequentie. Wanneer de uitgangsfrequentie 50 Hz is, geleidt elke thyristor één keer gedurende 20 ms.
Volledige brugomvormer
Een enkelfasige volledige brugomvormer heeft vier bestuurde schakelaars die worden gebruikt om de stroomrichting in de belasting te regelen. Deze brug beschikt over 4 feedbackdiodes die de in de belasting opgeslagen energie kunnen terugkoppelen naar de voeding. Deze feedbackdiodes werken alleen als alle thyristors zijn uitgeschakeld en de belasting geen puur resistieve belasting is.
Voor elke belasting werken er slechts 2 thyristors tegelijk. Thyristors T1 en T2 zullen in één cyclus geleiden, terwijl T3 en T4 in een andere cyclus zullen geleiden. Met andere woorden, wanneer T1 en T2 zich in de AAN-toestand bevinden, bevinden T3 en T4 zich in de UIT-toestand, terwijl wanneer T3 en T4 zich in de AAN-toestand bevinden, de andere twee zich in de UIT-toestand bevinden. Het tegelijk openen van twee of meer thyristors kan kortsluiting veroorzaken, overmatige hitte genereren en het circuit onmiddellijk doorbranden.
Driefasige brugomvormer
Industriële en andere zware belastingen vereisen een driefasige voeding. Om deze zware belastingen van opslagapparaten of andere gelijkstroombronnen te kunnen bedienen, is een driefasige omvormer vereist. Hiervoor kan een driefasige brugomvormer worden gebruikt.
Een driefasige brugomvormer is een ander type brugomvormer, bestaande uit 6 gestuurde schakelaars en 6 diodes, zoals weergegeven in de afbeelding.
5. Geclassificeerd op bedrijfsmodus
Afhankelijk van de bedrijfsmodus zijn omvormers onderverdeeld in drie hoofdcategorieën:
Onafhankelijke omvormer
De onafhankelijke omvormer is rechtstreeks op de belasting aangesloten en wordt niet onderbroken door andere stroombronnen. Onafhankelijke omvormer of "off grid mode inverter", de omvormer levert onafhankelijk stroom aan de belasting zonder te worden beïnvloed door het elektriciteitsnet of andere stroombronnen.
Deze omvormers worden off-grid-modus-omvormers genoemd omdat ze niet worden beïnvloed door het openbare elektriciteitsnet. Deze omvormers kunnen niet op het elektriciteitsnet worden aangesloten omdat ze geen synchronisatiemogelijkheden hebben, waarbij synchronisatie het proces is waarbij de fase en de nominale frequentie (50/60 Hz) van twee wisselstroombronnen op elkaar worden afgestemd.
Netgekoppelde omvormer
Netgekoppelde of netgekoppelde omvormers (GTI) hebben twee hoofdfuncties. Eén functie van op het elektriciteitsnet aangesloten omvormers is het leveren van wisselstroom van opslagapparaten (gelijkstroombronnen) aan AC-belastingen, terwijl een andere functie van op het elektriciteitsnet aangesloten omvormers het leveren van extra stroom aan het elektriciteitsnet is.
Netgekoppelde omvormers, ook wel interactieve omvormers voor nutsvoorzieningen, netinterconnectie-omvormers of netfeedback-omvormers genoemd, synchroniseren de frequentie en fase van de stroom om zich aan te passen aan het openbare elektriciteitsnet. Door het spanningsniveau van de omvormer te verhogen, wordt er stroom van de gelijkstroomvoedingsbron naar het openbare elektriciteitsnet overgedragen.
Dubbele piekomvormer
De Dual Peak-omvormer kan zowel als netgekoppelde omvormer als als onafhankelijke omvormer werken. Deze omvormers kunnen extra energie uit hernieuwbare energiebronnen en opslagapparaten in het net injecteren en elektriciteit uit het net halen wanneer de energie die door hernieuwbare energie wordt opgewekt onvoldoende is. Met andere woorden, deze omvormers kunnen werken als onafhankelijke omvormers en netgekoppelde omvormers, afhankelijk van de vereisten van de belasting. Dual peak-omvormers zijn multifunctioneel, inclusief de functies van onafhankelijke omvormers en netgekoppelde omvormers.
De functie van een dual peak-omvormer varieert afhankelijk van de belasting. Als er een probleem is met het elektriciteitsnet of als de kracht van hernieuwbare energie voldoende is om aan de belasting te voldoen, wordt de functie ervan gewijzigd in een onafhankelijke omvormer (het wordt een onafhankelijke omvormer). In dit geval zal de omschakelaar de omvormer loskoppelen van het elektriciteitsnet.
Zodra hernieuwbare energie extra energie begint te genereren, zal de bedrijfsmodus verschuiven van onafhankelijke modus naar netgekoppelde modus. De omvormer synchroniseert zijn fase en frequentie met de omvormer en begint extra energie in het net te injecteren.
6. Classificeer op uitgangsgolfvorm
De ideale omvormer verwijst naar een omvormer die DC-signalen omzet in zuivere sinusoïdale AC-uitgangen. Het probleem met echte omvormers is dat hun uitgangssignalen niet puur sinusoïdaal zijn. Volgens de uitgangsgolfvorm zijn omvormers onderverdeeld in drie categorieën:
Vierkantgolfomvormer
Dit zijn de eenvoudigste omvormers voor het omzetten van gelijkstroom naar wisselstroom, maar de uitgangsgolfvorm is niet de vereiste zuivere sinusgolf. Deze omvormers hebben vierkante golven aan de uitgangszijde. Met andere woorden: deze omvormers zetten gelijkstroominvoer om in wisselstroom in de vorm van vierkante golven. Ondertussen zijn blokgolfomvormers ook goedkoper.
De eenvoudigste structuur van deze omvormers kan een H-brugomvormer zijn. Zoals weergegeven in de afbeelding, kan het gebruik van SPDT-schakelaars (single push double throw) vóór de transformator een eenvoudiger versie bereiken. Deze transformator helpt ook bij het bereiken van elk gewenst uitgangsspanningsniveau.
De werking van een bepaald model is uiterst eenvoudig. Door simpelweg de schakelaar aan en uit te zetten, verandert tegelijkertijd de stroom aan de uitgangsterminal. Met andere woorden: het schakelen van enkelpolige double-throw op de gewenste frequentie zal AC-vierkante golven genereren aan de uitgang van een typische omvormer (dwz middenaftakkingstransformator). De harmonische vervorming van een typische sinusgolf is ongeveer 45%, wat verder kan worden verminderd door filters te gebruiken om bepaalde harmonischen weg te filteren.
Quasi-sinusomvormer
Quasi-sinusomvormer, ook wel gemodificeerde sinusomvormer genoemd met getrapte sinusgolven. Met andere woorden: de uitgangssignalen van deze omvormers nemen geleidelijk toe in positieve polariteit. Na het bereiken van de positieve piek neemt het uitgangssignaal geleidelijk af totdat het de negatieve piek bereikt, zoals weergegeven in de afbeelding.
De structuur van een quasi-sinusomvormer is veel eenvoudiger dan een zuivere sinusomvormer, maar complexer dan een zuivere blokgolfomvormer.
Hoewel de uiteindelijke uitgangsgolfvorm van deze omvormers geen zuivere sinusgolf is, wordt de harmonische vervorming van de uitgang nog steeds teruggebracht tot 24%. Filteren zal de vervorming verder verminderen, maar de hoeveelheid vervorming is nog steeds aanzienlijk. Om deze reden hebben deze omvormers niet de voorkeur voor het aansturen van verschillende belastingen, inclusief elektronische circuits.
Quasi-sinusgolven kunnen elektronische apparaten met timers in het circuit permanent beschadigen. Indien aangesloten op een quasi-sinusomvormer, zullen alle elektrische apparaten met motoren niet zo efficiënt werken als apparaten die zijn aangesloten op een zuivere sinusomvormer. Bovendien kunnen snelle golfvormovergangen ruis veroorzaken. Vanwege deze problemen is de toepassing van quasi-sinusomvormers beperkt.
Zuivere sinusomvormer
Een zuivere sinusomvormer zet DC om in bijna zuivere sinus AC. De uitgangsgolfvorm van een zuivere sinusomvormer is nog steeds geen ideale sinusgolf, maar is veel vloeiender dan die van blokgolf- en quasi-sinusomvormers.
De uitgangsgolfvorm van een zuivere sinusomvormer heeft extreem lage harmonischen. Harmonischen zijn sinusgolven met oneven veelvouden van de grondfrequentie met verschillende amplitudes. Harmonischen zijn erg impopulair omdat ze ernstige problemen kunnen veroorzaken met verschillende elektrische apparaten. Door verschillende PWM-technieken te gebruiken en het uitgangssignaal vervolgens door een laagdoorlaatfilter te laten gaan, kunnen deze harmonischen verder worden verminderd.
De constructie en werking van zuivere sinusomvormers zijn veel complexer dan blokgolf- en gemodificeerde blokgolfomvormers.
Deze omvormers zijn superieur aan de eerste twee omvormers, omdat de meeste elektrische apparatuur zuivere sinusgolven nodig heeft om beter te kunnen werken. Zoals eerder vermeld, kunnen blokgolf- of quasi-sinusgolfomvormers elektrische apparaten beschadigen, vooral apparaten die zijn uitgerust met motoren. Daarom wordt voor praktisch gebruik een zuivere sinusomvormer gebruikt.
7. Geclassificeerd op basis van het aantal uitgangsniveaus
Het uitgangsniveau van elke omvormer kan minimaal twee of meer zijn. Afhankelijk van het aantal uitgangsniveaus zijn omvormers onderverdeeld in twee categorieën: omvormers met twee niveaus en omvormers met meerdere niveaus.
Omvormer met twee niveaus
Een omvormer met twee niveaus heeft twee uitgangsniveaus. De uitgangsspanning wisselt tussen positief en negatief, en wisselt op de grondfrequentie (50 Hz of 60 Hz).
Sommige zogenaamde 'twee-niveau-omvormers' hebben drie niveaus in hun uitgangsgolfvorm. De reden om omvormers met drie niveaus in deze categorie in te delen is dat een van de niveaus nulspanning is. Eigenlijk is nul het derde niveau, maar het wordt nog steeds geclassificeerd als een tweetrapsomvormer.
Een invertercircuit met twee niveaus bestaat uit een bron en enkele schakelaars die de stroom of spanning regelen. Vanwege de beperkingen van schakelverliezen en apparaatvermogens is de hoogfrequente werking van tweeniveau-omvormers in hoogspanningstoepassingen beperkt. De nominale waarde van de schakelaar kan echter worden verhoogd door serie- en parallelle combinaties. De groep schakelaars die zorgen voor een positieve halve cyclus in een omvormer met twee niveaus wordt een positieve groepsschakelaar genoemd, terwijl de andere groep schakelaars die een negatieve halve cyclus leveren een negatieve groepsschakelaar wordt genoemd.
Om de volgende redenen heeft een omvormer met twee niveaus niet de voorkeur. Omvormers hebben een minimaal aantal schakelaars en stroombronnen nodig om in kleine spanningsstappen te kunnen werken en vermogen om te zetten. Een kleinere spanningsstap zorgt voor golfvormen van hoge kwaliteit. Bovendien kan het ook spannings- (dv/dt)-problemen en elektromagnetische compatibiliteitsproblemen op de belasting verminderen. Daarom zijn omvormers met meerdere niveaus de meer praktische eerste keuze.
Multi-niveau-omvormer (MLI)
Een omvormer met meerdere niveaus zet DC-signalen om in getrapte golfvormen met meerdere niveaus. De uitgangsgolfvorm van een omvormer met meerdere niveaus is niet direct positief en negatief afwisselend, maar afwisselend op meerdere niveaus. Vanwege het feit dat de vloeiendheid van de golfvorm recht evenredig is met het aantal spanningsniveaus. Daarom zullen omvormers met meerdere niveaus vloeiendere golfvormen produceren. Zoals eerder vermeld maakt deze eigenschap hem geschikt voor praktische toepassingen.
Conclusie:
Dit artikel introduceert 17 hoofdtypen omvormers, maar in feite zijn er nog veel meer classificaties van omvormers. Omvormers met meerdere niveaus kunnen bijvoorbeeld ook worden onderverdeeld in omvormers met vliegende condensatoren (FCMI), diode-geklemde omvormers (DCMI) en gecascadeerde H-brugomvormers.
Vanuit praktisch toepassingsperspectief zijn driefasige omvormers geschikt voor toepassingen met hoge belasting, kunnen zuivere sinusomvormers elektrische apparaten beter beschermen, en zijn meerniveau-omvormers praktischere keuzes.