Co je to měnič napětí, jak funguje, použití měniče

K přeměně stejnosměrného proudu na střídavý se používají speciální elektronické napájecí zdroje zvané invertory. Nejčastěji měnič převádí stejnosměrné napětí jedné velikosti na střídavé napětí jiné velikosti.

Střídač je tedy generátorem periodicky se měnícího napětí, přičemž průběh napětí může být sinusový, téměř sinusový nebo pulzní... Měniče se používají jak jako samostatná zařízení, tak jako součást systémů nepřerušitelného napájení (UPS).

Střídače v rámci zdrojů nepřerušitelného napájení (UPS) umožňují například nepřetržitý příjem energie do počítačových systémů a pokud napětí v síti náhle zmizí, střídač okamžitě začne zásobovat počítač energií získanou ze záložní baterie. Alespoň bude mít uživatel čas vypnout a vypnout počítač.

Větší zdroje nepřerušitelného napájení využívají výkonnější invertory s velkokapacitními bateriemi, které dokážou autonomně napájet spotřebitele celé hodiny bez ohledu na síť, a když se síť vrátí do normálu, UPS automaticky přepne spotřebitele přímo do sítě a baterie se začnou nabíjet.

Technická stránka

V moderních technologiích přeměny elektřiny může střídač fungovat pouze jako mezilehlá jednotka, kde jeho funkcí je převádět napětí pomocí vysokofrekvenční transformace (desítky a stovky kilohertzů). Naštěstí dnes lze tento problém snadno vyřešit, protože pro vývoj a konstrukci měničů jsou k dispozici jak polovodičové spínače schopné odolávat proudům stovek ampér, magnetická jádra s potřebnými parametry, tak elektronické mikrokontroléry speciálně určené pro měniče (včetně rezonančních).

Mezi požadavky na měniče, stejně jako na ostatní výkonová zařízení, patří: vysoká účinnost, spolehlivost, co nejmenší rozměry a hmotnost. Je také nutné, aby střídač vydržel přípustnou úroveň vyšších harmonických ve vstupním napětí a nevytvářel pro uživatele nepřijatelně silný impulsní šum.

V systémech se „zelenými“ zdroji elektřiny (solární panely, větrné mlýny) pro dodávku elektřiny přímo do obecné sítě se používají střídače Grid-tie, které mohou pracovat synchronně s průmyslovou sítí.

Při provozu napěťového měniče je zdroj konstantního napětí periodicky připojován k zátěžovému obvodu s proměnnou polaritou, přičemž frekvence spojů a jejich trvání jsou tvořeny řídicím signálem, který přichází z regulátoru.

Regulátor ve střídači obvykle plní několik funkcí: reguluje výstupní napětí, synchronizuje činnost polovodičových spínačů, chrání obvod před přetížením. Obecně se střídače dělí na: samostatné střídače (proudové a napěťové střídače) a závislé střídače (řízené sítí, řízené sítí atd.)

Invertorový obvod

Polovodičové spínače invertoru jsou řízeny regulátorem a mají reverzní bočníkové diody. Výstupní napětí střídače v závislosti na aktuálním výkonu zátěže se upravuje automatickou změnou šířky impulsu ve vysokofrekvenčním měniči, v nejjednodušším případě PWM (Pulse Width Modulation).

Půlvlny výstupního nízkofrekvenčního napětí musí být symetrické, aby zatěžovací obvody v žádném případě nepřijímaly významnou konstantní složku (u transformátorů je to zvláště nebezpečné), k tomu šířka impulsu LF bloku (v nejjednodušší případ) je konstantní .

Při ovládání výstupních spínačů střídače je použit algoritmus, který zajišťuje sekvenční změnu ve strukturách silového obvodu: přímý, zkratový, reverzní.

Tak či onak má okamžitá hodnota zátěžového výkonu na výstupu střídače charakter dvoufrekvenčních vln, proto primární zdroj musí umožňovat takový režim provozu, když jím protékají zvlněné proudy, a odolávat odpovídající míře rušení. (na vstupu měniče).

Pokud byly první měniče výhradně mechanické, dnes existuje mnoho možností pro obvody polovodičových měničů a existují pouze tři typická schémata: můstek bez transformátoru, tlačná s nulovou svorkou transformátoru, můstek s transformátorem.

Beztransformátorový můstkový obvod se nachází v nepřerušitelných zdrojích napájení 500 VA a automobilových měničích. Posuvný obvod s nulovou svorkou transformátoru se používá u nízkopříkonových UPS (pro počítače) s kapacitou do 500 VA, kde je napětí záložní baterie 12 nebo 24 voltů. Můstkový obvod s transformátorem se používá u výkonných zdrojů nepřerušitelného napájení (pro jednotky a desítky kVA).

Průběh výstupního napětí

U pravoúhlých napěťových střídačů je na výstupu spínána skupina reverzních diodových spínačů tak, aby produkovaly střídavé napětí na zátěži a poskytovaly režim řízené cirkulace v obvodu. reaktivní energie.

Za úměrnost výstupního napětí jsou zodpovědné: relativní doba trvání řídicích impulsů nebo fázový posun mezi řídicími signály skupin klíčů. V režimu neřízené cirkulace jalového výkonu uživatel ovlivňuje tvar a velikost výstupního napětí měniče.

U napěťových střídačů se stupňovitým výstupem tvoří vysokofrekvenční předkonvertor unipolární stupňovou křivku napětí, která se tvarem přibližně blíží sinusovce, jejíž perioda je poloviční než perioda výstupního napětí. Obvod LF můstku pak převede unipolární krokovou křivku na dvě poloviny bipolární křivky, která zhruba připomíná sinusovku.

U napěťových měničů se sinusovým (nebo téměř sinusovým) tvarem výstupu generuje vysokofrekvenční předkonvertor konstantní napětí blízké amplitudě budoucímu sinusovému výstupu.

Můstkový obvod pak tvoří nízkofrekvenční proměnnou z konstantního napětí pomocí více PWM, kdy každý pár tranzistorů v každém půlcyklu vytváření výstupní sinusovky je několikrát otevřen po dobu měnící se podle harmonického zákona. . Dolní propust pak extrahuje sinus z výsledného tvaru vlny.

VF předkonverzní obvody v invertorech

Nejjednodušší vysokofrekvenční předkonverzní obvody v invertorech jsou samogenerující. Jsou poměrně jednoduché z hlediska technické implementace a jsou poměrně účinné při nízkém výkonu (do 10-20 W) pro napájení zátěží, které nejsou kritické pro proces napájení. Frekvence oscilátorů není větší než 10 kHz.

Pozitivní zpětná vazba v takových zařízeních je získána saturací magnetického obvodu transformátoru. Ale pro výkonné měniče nejsou taková schémata přijatelná, protože ztráty ve spínačích rostou a účinnost je nakonec nízká.Také jakýkoli zkrat na výstupu přeruší vlastní oscilace.

Lepšími obvody předběžných vysokofrekvenčních měničů jsou flyback (do 150 W), push-pull (do 500 W), poloviční můstek a můstek (více než 500 W) PWM regulátorů, kde převodní frekvence dosahuje stovek kilohertzů.

Typy měničů, režimy provozu

Jednofázové napěťové měniče se dělí do dvou skupin: s čistou sinusovkou na výstupu a s modifikovanou sinusovkou Většina moderních zařízení umožňuje zjednodušenou formu síťového signálu (upravenou sinusovku).

Čistá sinusovka je důležitá u zařízení, která mají na vstupu elektromotor nebo transformátor, nebo jde-li o speciální zařízení, které na vstupu pracuje pouze s čistou sinusovkou.

Třífázové měniče se obecně používají k výrobě třífázového proudu pro elektromotory, například pro napájení třífázový asynchronní motor… V tomto případě jsou vinutí motoru připojena přímo k výstupu měniče. Pokud jde o výkon, střídač se vybírá na základě jeho špičkové hodnoty pro uživatele.

Obecně existují tři režimy provozu střídače: start, nepřetržitý provoz a přetížení. Ve spouštěcím režimu (nabití kapacity, spuštění chladničky) může výkon zdvojnásobit jmenovitý výkon měniče ve zlomku sekundy, což je přijatelné pro většinu modelů. Nepřetržitý režim - odpovídá jmenovité hodnotě střídače. Režim přetížení — když je výkon uživatele 1,3krát vyšší než jmenovitý — v tomto režimu může průměrný střídač pracovat asi půl hodiny.