Τι είναι ένας μετατροπέας τάσης, πώς λειτουργεί, η χρήση ενός μετατροπέα

Ειδικά ηλεκτρονικά τροφοδοτικά που ονομάζονται μετατροπείς χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή του συνεχούς ρεύματος σε εναλλασσόμενο ρεύμα. Τις περισσότερες φορές, ένας μετατροπέας μετατρέπει μια τάση συνεχούς ρεύματος ενός μεγέθους σε μια τάση AC άλλου μεγέθους.

Επομένως, ο μετατροπέας είναι μια γεννήτρια περιοδικής μεταβαλλόμενης τάσης, ενώ η κυματομορφή τάσης μπορεί να είναι ημιτονοειδής, σχεδόν ημιτονοειδής ή παλμική... Οι μετατροπείς χρησιμοποιούνται τόσο ως ανεξάρτητες συσκευές όσο και ως μέρος συστημάτων αδιάλειπτης τροφοδοσίας (UPS).

Ως μέρος των πηγών αδιάλειπτης ισχύος (UPS), οι μετατροπείς επιτρέπουν, για παράδειγμα, να λαμβάνουν συνεχή τροφοδοσία σε συστήματα υπολογιστών και εάν η τάση εξαφανιστεί ξαφνικά στο δίκτυο, ο μετατροπέας θα αρχίσει αμέσως να τροφοδοτεί τον υπολογιστή με ενέργεια που λαμβάνεται από την εφεδρική μπαταρία. Τουλάχιστον ο χρήστης θα έχει χρόνο να απενεργοποιήσει και να απενεργοποιήσει τον υπολογιστή.

Τα μεγαλύτερα αδιάλειπτα τροφοδοτικά χρησιμοποιούν ισχυρότερους μετατροπείς με μπαταρίες μεγάλης χωρητικότητας που μπορούν αυτόνομα να τροφοδοτούν τους καταναλωτές για ώρες ανεξάρτητα από το δίκτυο και όταν το δίκτυο επανέλθει στο κανονικό, το UPS θα μεταφέρει αυτόματα τους καταναλωτές απευθείας στο δίκτυο και οι μπαταρίες θα ξεκινήσουν να φορτίζονται.

Η τεχνική πλευρά

Στις σύγχρονες τεχνολογίες μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας, ο μετατροπέας μπορεί να λειτουργήσει μόνο ως ενδιάμεση μονάδα, όπου η λειτουργία του είναι να μετατρέπει την τάση μέσω ενός μετασχηματισμού υψηλής συχνότητας (δεκάδες και εκατοντάδες kilohertz). Ευτυχώς, σήμερα αυτό το πρόβλημα μπορεί να λυθεί εύκολα, γιατί για την ανάπτυξη και το σχεδιασμό μετατροπέων, διατίθενται και οι δύο διακόπτες ημιαγωγών ικανών να αντέχουν ρεύματα εκατοντάδων αμπέρ, μαγνητικοί πυρήνες με τις απαραίτητες παραμέτρους και ηλεκτρονικοί μικροελεγκτές ειδικά σχεδιασμένοι για μετατροπείς (συμπεριλαμβανομένου του συντονισμού).

Οι απαιτήσεις για τους μετατροπείς, καθώς και για άλλες συσκευές ισχύος, περιλαμβάνουν: υψηλή απόδοση, αξιοπιστία, τις μικρότερες δυνατές διαστάσεις και βάρος. Είναι επίσης απαραίτητο ο μετατροπέας να αντέχει το επιτρεπτό επίπεδο υψηλότερων αρμονικών στην τάση εισόδου και να μην δημιουργεί απαράδεκτα δυνατούς παλμικούς θορύβους για τους χρήστες.

Σε συστήματα με «πράσινες» πηγές ηλεκτρικής ενέργειας (ηλιακά πάνελ, ανεμόμυλοι) για την απευθείας παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στο γενικό δίκτυο, χρησιμοποιούνται μετατροπείς Grid-tie, οι οποίοι μπορούν να λειτουργούν συγχρονισμένα με το βιομηχανικό δίκτυο.

Κατά τη λειτουργία του μετατροπέα τάσης, η πηγή σταθερής τάσης συνδέεται περιοδικά στο κύκλωμα φορτίου με μεταβλητή πολικότητα, ενώ η συχνότητα των συνδέσεων και η διάρκειά τους διαμορφώνονται από ένα σήμα ελέγχου που προέρχεται από τον ελεγκτή.

Ο ελεγκτής στον μετατροπέα συνήθως εκτελεί διάφορες λειτουργίες: ρύθμιση της τάσης εξόδου, συγχρονισμός της λειτουργίας των διακοπτών ημιαγωγών, προστασία του κυκλώματος από υπερφόρτωση. Γενικά, οι μετατροπείς χωρίζονται σε: αυτόνομους μετατροπείς (μετατροπείς ρεύματος και τάσης) και σε εξαρτημένους μετατροπείς (ηλεκτρονικούς, ηλεκτρικούς κ.λπ.)

Κύκλωμα μετατροπέα

Οι διακόπτες ημιαγωγών του μετατροπέα ελέγχονται από τον ελεγκτή και διαθέτουν διόδους ανάστροφης διακλάδωσης. Η τάση εξόδου του μετατροπέα, ανάλογα με την τρέχουσα ισχύ του φορτίου, ρυθμίζεται με αυτόματη αλλαγή του πλάτους παλμού στον μετατροπέα υψηλής συχνότητας, στην απλούστερη περίπτωση PWM (Διαμόρφωση πλάτους παλμού).

Τα μισά κύματα της τάσης χαμηλής συχνότητας εξόδου πρέπει να είναι συμμετρικά, έτσι ώστε τα κυκλώματα φορτίου να μην λαμβάνουν σε καμία περίπτωση σημαντική σταθερή συνιστώσα (για μετασχηματιστές αυτό είναι ιδιαίτερα επικίνδυνο), για αυτό το πλάτος παλμού του μπλοκ LF (στο απλούστερη περίπτωση) γίνεται σταθερή .

Στον έλεγχο των διακοπτών εξόδου του μετατροπέα, χρησιμοποιείται ένας αλγόριθμος που εξασφαλίζει μια διαδοχική αλλαγή στις δομές του κυκλώματος ισχύος: απευθείας, βραχυκύκλωμα, αντίστροφη.

Με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, η τιμή ισχύος στιγμιαίου φορτίου στην έξοδο του μετατροπέα έχει τον χαρακτήρα κυμάτων διπλής συχνότητας, επομένως η κύρια πηγή πρέπει να επιτρέπει έναν τέτοιο τρόπο λειτουργίας όταν ρέουν ρεύματα κυματισμού και να αντέχει σε αντίστοιχο επίπεδο παρεμβολής (στην είσοδο του μετατροπέα).

Εάν οι πρώτοι μετατροπείς ήταν αποκλειστικά μηχανικοί, σήμερα υπάρχουν πολλές επιλογές για κυκλώματα μετατροπέων ημιαγωγών και υπάρχουν μόνο τρία τυπικά σχήματα: γέφυρα χωρίς μετασχηματιστή, ώθηση με τον ακροδέκτη μηδέν του μετασχηματιστή, γέφυρα με μετασχηματιστή.

Το κύκλωμα γέφυρας χωρίς μετασχηματιστή βρίσκεται σε τροφοδοτικά αδιάλειπτης ισχύος 500 VA και μετατροπείς αυτοκινήτων. Το κύκλωμα ολίσθησης με τον ουδέτερο ακροδέκτη του μετασχηματιστή χρησιμοποιείται σε UPS χαμηλής κατανάλωσης (για υπολογιστές) με χωρητικότητα έως 500 VA, όπου η τάση εφεδρικής μπαταρίας είναι 12 ή 24 βολτ. Το κύκλωμα γέφυρας με μετασχηματιστή χρησιμοποιείται σε ισχυρές πηγές αδιάλειπτης παροχής ρεύματος (για μονάδες και δεκάδες kVA).

Κυματομορφή τάσης εξόδου

Στους ορθογώνιους μετατροπείς τάσης, μια ομάδα διακοπτών αντίστροφης διόδου ενεργοποιείται στην έξοδο έτσι ώστε να παράγει μια εναλλασσόμενη τάση σε όλο το φορτίο και να παρέχει μια λειτουργία ελεγχόμενης κυκλοφορίας στο κύκλωμα αντιδραστική ενέργεια.

Τα ακόλουθα είναι υπεύθυνα για την αναλογικότητα της τάσης εξόδου: η σχετική διάρκεια των παλμών ελέγχου ή η μετατόπιση φάσης μεταξύ των σημάτων ελέγχου των ομάδων κλειδιών. Στη λειτουργία ανεξέλεγκτης κυκλοφορίας άεργου ισχύος, ο χρήστης επηρεάζει το σχήμα και το μέγεθος της τάσης εξόδου του μετατροπέα.

Σε μετατροπείς τάσης με έξοδο σε σχήμα βήματος, ο προμετατροπέας υψηλής συχνότητας σχηματίζει μια μονοπολική καμπύλη βηματικής τάσης, που προσεγγίζει το σχήμα του σε ένα ημιτονοειδές κύμα του οποίου η περίοδος είναι η μισή περίοδος της τάσης εξόδου. Το κύκλωμα γέφυρας LF μετατρέπει στη συνέχεια τη μονοπολική καμπύλη βήματος σε δύο μισά μιας διπολικής καμπύλης που μοιάζει κατά προσέγγιση με ημιτονοειδές κύμα.

Σε μετατροπείς τάσης με ημιτονοειδές (ή σχεδόν ημιτονοειδές) σχήμα της εξόδου, ο προμετατροπέας υψηλής συχνότητας παράγει μια σταθερή τάση κοντά σε πλάτος στη μελλοντική ημιτονοειδή έξοδο.

Το κύκλωμα γέφυρας σχηματίζει στη συνέχεια μια μεταβλητή χαμηλής συχνότητας από μια σταθερή τάση, μέσω πολλαπλών PWM, όταν κάθε ζεύγος τρανζίστορ σε κάθε μισό κύκλο σχηματισμού του ημιτονοειδούς κύματος εξόδου ανοίγει πολλές φορές για χρόνο που ποικίλλει σύμφωνα με τον αρμονικό νόμο . Στη συνέχεια, ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης εξάγει ένα ημίτονο από την προκύπτουσα κυματομορφή.

Κυκλώματα προ-μετατροπής HF σε μετατροπείς

Τα απλούστερα κυκλώματα προμετατροπής υψηλής συχνότητας στους μετατροπείς είναι αυτοπαραγωγικά. Είναι αρκετά απλά ως προς την τεχνική υλοποίηση και είναι αρκετά αποδοτικά σε χαμηλές ισχύς (μέχρι 10-20 W) για την παροχή φορτίων που δεν είναι κρίσιμα για τη διαδικασία τροφοδοσίας ρεύματος. Η συχνότητα των ταλαντωτών δεν είναι μεγαλύτερη από 10 kHz.

Η θετική ανάδραση σε τέτοιες συσκευές λαμβάνεται με τον κορεσμό του μαγνητικού κυκλώματος του μετασχηματιστή. Αλλά για ισχυρούς μετατροπείς, τέτοια σχήματα δεν είναι αποδεκτά, καθώς οι απώλειες στους διακόπτες αυξάνονται και η απόδοση είναι τελικά χαμηλή.Επίσης, οποιοδήποτε βραχυκύκλωμα στην έξοδο διακόπτει τις αυτοταλαντώσεις.

Τα καλύτερα κυκλώματα των προκαταρκτικών μετατροπέων υψηλής συχνότητας είναι το flyback (έως 150 W), το push-pull (έως 500 W), το half-bridge και το bridge (πάνω από 500 W) των ελεγκτών PWM, όπου η συχνότητα μετατροπής φτάνει τις εκατοντάδες των kilohertz.

Τύποι μετατροπέων, τρόποι λειτουργίας

Οι μονοφασικοί μετατροπείς τάσης χωρίζονται σε δύο ομάδες: με καθαρό ημιτονοειδές κύμα στην έξοδο και με τροποποιημένο ημιτονοειδές κύμα Οι περισσότερες σύγχρονες συσκευές επιτρέπουν μια απλοποιημένη μορφή του σήματος δικτύου (τροποποιημένο ημιτονοειδές κύμα).

Ένα καθαρό ημιτονοειδές κύμα είναι σημαντικό για συσκευές που έχουν ηλεκτρικό κινητήρα ή μετασχηματιστή στην είσοδο ή εάν πρόκειται για ειδική συσκευή που λειτουργεί μόνο με καθαρό ημιτονοειδές κύμα στην είσοδο.

Οι τριφασικοί μετατροπείς χρησιμοποιούνται γενικά για την παραγωγή τριφασικού ρεύματος για ηλεκτρικούς κινητήρες, για παράδειγμα για παροχή ρεύματος τριφασικός ασύγχρονος κινητήρας… Σε αυτήν την περίπτωση, οι περιελίξεις του κινητήρα συνδέονται απευθείας στην έξοδο του μετατροπέα. Όσον αφορά την ισχύ, ο μετατροπέας επιλέγεται με βάση την μέγιστη τιμή του για τον χρήστη.

Γενικά, υπάρχουν τρεις τρόποι λειτουργίας του μετατροπέα: εκκίνηση, συνεχής και υπερφόρτωση. Στη λειτουργία εκκίνησης (φόρτιση χωρητικότητας, εκκίνηση του ψυγείου) η ισχύς μπορεί να διπλασιάσει την ονομαστική τιμή του μετατροπέα σε κλάσματα δευτερολέπτου, αυτό είναι αποδεκτό για τα περισσότερα μοντέλα. Συνεχής λειτουργία - που αντιστοιχεί στην ονομαστική τιμή του μετατροπέα. Λειτουργία υπερφόρτωσης — όταν η ισχύς του χρήστη είναι 1,3 φορές μεγαλύτερη από την ονομαστική — σε αυτήν τη λειτουργία, ο μέσος μετατροπέας μπορεί να λειτουργήσει για περίπου μισή ώρα.