Einführung in verschiedene Arten von Wechselrichtern

Die Wechselstromversorgung wird für fast alle Wohn-, Gewerbe- und Industriebedürfnisse verwendet. Das größte Problem bei Wechselstrom ist jedoch, dass er nicht für die zukünftige Verwendung gespeichert werden kann. Also wird Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt und dann Gleichstrom in Batterien und Ultrakondensatoren gespeichert. Und jetzt, wenn Wechselstrom benötigt wird, wird Gleichstrom erneut in Wechselstrom umgewandelt, um die AC-basierten Appliances auszuführen. Das Gerät, das Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, heißt also Wechselrichter. Der Wechselrichter wird verwendet, um Gleichstrom in variablen Wechselstrom umzuwandeln. Diese Variation kann in der Größe der Spannung, der Anzahl der Phasen, der Frequenz oder der Phasendifferenz liegen.

Klassifizierung des Wechselrichters

Wechselrichter können basierend auf Leistung, Quelle, Lasttyp usw. in viele Typen eingeteilt werden. Nachfolgend finden Sie die vollständige Klassifizierung der Wechselrichterkreise:

(I) Gemäß der Ausgabeeigenschaft

1. Rechteckwechselrichter
2. Sinus-Wechselrichter
3. Modifizierter Sinus-Wechselrichter

(II) Nach der Quelle des Wechselrichters

1. Wechselrichter
2. Spannungsquellen-Wechselrichter

(III) Je nach Art der Ladung

1. Einphasen-Wechselrichter
   1. Halbbrückenwechselrichter
   2. Vollbrückenwechselrichter
2. Dreiphasen-Wechselrichter
   1. 180-Grad-Modus
   2. 120-Grad-Modus

(IV) Nach unterschiedlicher PWM-Technik

1. Einfache Pulsweitenmodulation (SPWM)
2. Multiple Pulse Width Modulation (MPWM)
3. Sinusförmige Pulsweitenmodulation (SPWM)
4. Modifizierte sinusförmige Pulsweitenmodulation (MSPWM)

(V) Entsprechend der Anzahl der Ausgangspegel

1. Regulärer zweistufiger Wechselrichter
2. Mehrstufiger Wechselrichter

Jetzt werden wir alle einzeln besprechen. Hier können Sie ein Beispiel für einen Wechselrichter-Schaltkreis mit 12 V DC bis 220 V AC überprüfen.

(I) Gemäß der Ausgabeeigenschaft

Je nach Ausgangskennlinie eines Wechselrichters kann es drei verschiedene Wechselrichtertypen geben.

• Rechteckwechselrichter
• Sinus-Wechselrichter
• Modifizierter Sinus-Wechselrichter

1) Rechteckwechselrichter

Die Ausgangswellenform der Spannung für diesen Wechselrichter ist eine Rechteckwelle. Dieser Wechselrichtertyp wird unter allen anderen Wechselrichtertypen am wenigsten verwendet, da alle Geräte für die Sinuswellenversorgung ausgelegt sind. Wenn wir ein Gerät auf Sinuswellenbasis mit Rechteckwellen versorgen, kann es beschädigt werden oder die Verluste sind sehr hoch. Die Kosten für diesen Wechselrichter sind sehr gering, aber die Anwendung ist sehr selten. Es kann in einfachen Werkzeugen mit einem Universalmotor verwendet werden.

2) Sinuswelle

Die Ausgangswellenform der Spannung ist eine Sinuswelle und liefert einen sehr ähnlichen Ausgang wie die Versorgungsversorgung. Dies ist der Hauptvorteil dieses Wechselrichters, da alle von uns verwendeten Geräte für die Sinuswelle ausgelegt sind. Dies ist also die perfekte Ausgabe und garantiert, dass die Geräte ordnungsgemäß funktionieren. Diese Art von Wechselrichtern ist teurer, wird jedoch häufig in privaten und gewerblichen Anwendungen eingesetzt.

3) Modifizierte Sinuswelle

Der Aufbau dieses Wechselrichtertyps ist komplexer als bei einfachen Rechteckwechselrichtern, jedoch einfacher als bei reinen Sinuswechselrichtern. Der Ausgang dieses Wechselrichters ist weder eine reine Sinuswelle noch eine Rechteckwelle. Der Ausgang eines solchen Wechselrichters ist ein Teil von zwei Rechteckwellen. Die Ausgangswellenform ist nicht genau eine Sinuswelle, ähnelt jedoch der Form einer Sinuswelle.

(II) Nach der Quelle des Wechselrichters

• Spannungsquellen-Wechselrichter
• Wechselrichter

1) Wechselrichter

In CSI ist der Eingang eine Stromquelle. Diese Art von Wechselrichtern wird in der industriellen Mittelspannungsanwendung verwendet, bei der hochwertige Stromwellenformen obligatorisch sind. CSIs sind jedoch nicht beliebt.

2) Spannungsquellen-Wechselrichter

In VSI ist der Eingang eine Spannungsquelle. Dieser Wechselrichtertyp wird in allen Anwendungen verwendet, da er effizienter ist, eine höhere Zuverlässigkeit und eine schnellere Dynamik aufweist. VSI kann Motoren ohne Leistungsreduzierung betreiben.

(III) Je nach Art der Ladung

• Einphasen-Wechselrichter
• Dreiphasen-Wechselrichter

1) einphasiger Wechselrichter

Im Allgemeinen verwenden Wohn- und Gewerbelasten einphasigen Strom. Der einphasige Wechselrichter wird für diese Art von Anwendung verwendet. Der einphasige Wechselrichter ist weiter in zwei Teile unterteilt;

• Einphasen-Halbbrückenwechselrichter
• Einphasen-Vollbrückenwechselrichter

A) Einphasen-Halbbrückenwechselrichter

Dieser Wechselrichtertyp besteht aus zwei Thyristoren und zwei Dioden. Der Anschluss erfolgt wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

In diesem Fall beträgt die gesamte Gleichspannung Vs und ist in zwei gleiche Teile Vs / 2 unterteilt. Die Zeit für einen Zyklus beträgt T Sek.

Für einen halben Zyklus von 0

Für den zweiten Halbzyklus von T / 2

Vo = Vs / 2

Durch diese Operation können wir eine Wechselspannungswellenform mit einer Frequenz von 1 / T Hz und einer Spitzenamplitude von Vs / 2 erhalten. Die Ausgangswellenform ist eine Rechteckwelle. Es wird durch den Filter geleitet und entfernt unerwünschte Harmonische, die uns eine reine Sinuswellenform geben. Die Frequenz der Wellenform kann durch die EIN-Zeit (Tonne) und die AUS-Zeit (Toff) des Thyristors gesteuert werden.

Die Größe der Ausgangsspannung beträgt die Hälfte der Versorgungsspannung und die Nutzungsdauer der Quelle beträgt 50%. Dies ist ein Nachteil des Halbbrückenwechselrichters, und die Lösung hierfür ist der Vollbrückenwechselrichter.

B) Einphasen-Vollbrückenwechselrichter

Bei diesem Wechselrichtertyp werden vier Thyristoren und vier Dioden verwendet. Das Schaltbild der einphasigen Vollbrücke ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Zu einem Zeitpunkt leiten zwei Thyristoren T1 und T2 für den ersten Halbzyklus 0 <t <T / 2. Während dieser Zeit beträgt die Lastspannung Vs, was der DC-Versorgungsspannung ähnlich ist.

Für den zweiten Halbzyklus T / 2 <t <T leiten zwei Thyristoren T3 und T4. Die Lastspannung während dieser Zeit beträgt -Vs.

Hier können wir die gleiche Wechselstromausgangsspannung wie die DC-Versorgungsspannung erhalten und der Quellenauslastungsfaktor beträgt 100%. Die Ausgangsspannungswellenform ist eine Rechteckwellenform und die Filter werden verwendet, um sie in eine Sinuswelle umzuwandeln.

Wenn alle Thyristoren gleichzeitig oder in einem Paar von (T1 und T3) oder (T2 und T4) leiten, wird die Quelle kurzgeschlossen. Die Dioden sind in der Schaltung als Rückkopplungsdiode angeschlossen, da sie für die Energierückkopplung zur Gleichstromquelle verwendet werden.

Wenn wir den Vollbrückenwechselrichter mit dem Halbbrückenwechselrichter vergleichen, beträgt die Ausgangsspannung für die gegebene DC-Versorgungsspannungslast das Zweifache und die Ausgangsleistung im Vollbrückenwechselrichter das Vierfache.

2) Dreiphasen-Brückenwechselrichter

Bei industrieller Last wird eine dreiphasige Wechselstromversorgung verwendet, und dafür müssen wir einen dreiphasigen Wechselrichter verwenden. Bei diesem Wechselrichtertyp werden sechs Thyristoren und sechs Dioden verwendet, die wie in der folgenden Abbildung dargestellt angeschlossen sind.

Es kann je nach Grad der Gate-Impulse in zwei Modi betrieben werden.

• 180-Grad-Modus
• 120-Grad-Modus

A) 180-Grad-Modus

In dieser Betriebsart beträgt die Leitungszeit für den Thyristor 180 Grad. Zu jedem Zeitpunkt befinden sich drei Thyristoren (ein Thyristor aus jeder Phase) im Leitungsmodus. Die Form der Phasenspannung ist dreistufig und die Form der Netzspannung ist eine Quasi-Rechteckwelle, wie in der Figur gezeigt.

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

Phase A.	T1	T4	T1	T4
Phase B.	T6	T3	T6	T3	T6
Phase C.	T5	T2	T5	T2	T5
Grad	60	120	180	240	300	360	60	120	180	240	300	360
Thyristor leitet	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

Bei dieser Operation ist die Zeitlücke zwischen der Kommutierung des ausgehenden Thyristors und der Leitung des ankommenden Thyristors Null. Somit ist die gleichzeitige Leitung des ein- und ausgehenden Thyristors möglich. Dies führt zu einem Kurzschluss der Quelle. Um diese Schwierigkeit zu vermeiden, wird eine 120-Grad-Betriebsart verwendet.

B) 120-Grad-Modus

Bei dieser Operation leiten jeweils nur zwei Thyristoren. Eine der Phasen des Thyristors ist weder mit dem Pluspol noch mit dem Minuspol verbunden. Die Leitungszeit für jeden Thyristor beträgt 120 Grad. Die Form der Netzspannung ist eine dreistufige Wellenform und die Form der Phasenspannung ist eine quasi quadratische Wellenform.

Phase A.	T1		T4		T1		T4
Phase B.	T6		T3		T6		T3		T6
Phase C.		T2		T5		T2		T5
Grad	60	120	180	240	300	360	60	120	180	240	300	360
Thyristor leitet	1 6	2 1	3 2	3 4	4 5	6 5	1 6	2 1	3 2	3 4	4 5	5 6

Die Wellenform von Netzspannung, Phasenspannung und Gate-Impuls des Thyristors ist wie in der obigen Abbildung gezeigt.

Bei allen leistungselektronischen Schaltern gibt es zwei Arten von Verlusten. Leitungsverlust und Schaltverlust. Der Leitungsverlust bedeutet einen EIN-Zustandsverlust im Schalter und der Schaltverlust bedeutet einen AUS-Zustandsverlust im Schalter. Im Allgemeinen ist der Leitungsverlust bei den meisten Vorgängen größer als der Schaltverlust.

Wenn wir den 180-Grad-Modus für eine 60-Grad-Operation betrachten, sind drei Schalter offen und drei Schalter geschlossen. Bedeutet, dass der Gesamtverlust dem dreifachen Leitungsverlust plus dem dreifachen Schaltverlust entspricht.

Gesamtverlust in 180 Grad = 3 (Leitfähigkeitsverlust) + 3 (Schaltverlust)

Wenn wir den 120-Grad-Modus für einen 60-Grad-Betrieb betrachten, sind zwei Schalter offen und die restlichen vier Schalter sind geschlossen. Bedeutet, dass der Gesamtverlust dem zweifachen Leitfähigkeitsverlust plus dem vierfachen Schaltverlust entspricht.

Gesamtverlust in 120 Grad = 2 (Leitfähigkeitsverlust) + 4 (Schaltverlust)

(IV) Klassifizierung nach Kontrolltechnik

• Einzelpulsbreitenmodulation (Einzel-PWM)
• Multiple Pulse Width Modulation (MPWM)
• Sinusförmige Pulsweitenmodulation (SPWM)
• Modifizierte sinusförmige Pulsweitenmodulation (MSPWM)

Der Ausgang des Wechselrichters ist ein Rechtecksignal und dieses Signal wird nicht für die Last verwendet. Die PWM-Technik (Pulsweitenmodulation) wird verwendet, um die Wechselstromausgangsspannung zu steuern. Diese Steuerung wird durch die Steuerung der EIN- und AUS-Periode der Schalter erhalten. In der PWM-Technik werden zwei Signale verwendet; eines ist das Referenzsignal und das zweite ist das dreieckige Trägersignal. Der Gate-Impuls für Schalter wird durch Vergleichen dieser beiden Signale erzeugt. Es gibt verschiedene Arten von PWM-Techniken.

1) Einzelpulsbreitenmodulation (Einzel-PWM)

Für jeden Halbzyklus ist bei dieser Steuerungstechnik der einzige Impuls verfügbar. Das Referenzsignal ist ein Rechtecksignal und das Trägersignal ist ein Dreieckswellensignal. Der Gate-Impuls für die Schalter wird durch Vergleichen des Referenzsignals und des Trägersignals erzeugt. Die Frequenz der Ausgangsspannung wird durch die Frequenz des Referenzsignals gesteuert. Die Amplitude des Referenzsignals ist Ar und die Amplitude des Trägersignals ist Ac, dann kann der Modulationsindex als Ar / Ac definiert werden. Der Hauptnachteil dieser Technik ist der hohe Oberwellengehalt.

2) Mehrfachimpulsbreitenmodulation (MPWM)

Der Nachteil der Einzelpulsbreitenmodulationstechnik wird durch mehrere PWM gelöst. Bei dieser Technik werden anstelle eines Impulses mehrere Impulse in jedem Halbzyklus der Ausgangsspannung verwendet. Das Gate wird durch Vergleichen des Referenzsignals und des Trägersignals erzeugt. Die Ausgangsfrequenz wird durch Steuern der Frequenz des Trägersignals gesteuert. Der Modulationsindex dient zur Steuerung der Ausgangsspannung.

Die Anzahl der Impulse pro Halbzyklus = fc / (2 * f0)

Wobei fc = Frequenz des Trägersignals

f0 = Frequenz des Ausgangssignals

3) Sinusförmige Pulsweitenmodulation (SPWM)

Diese Steuerungstechnik ist in industriellen Anwendungen weit verbreitet. In beiden obigen Verfahren ist das Referenzsignal ein Rechtecksignal. Bei diesem Verfahren ist das Referenzsignal jedoch ein Sinuswellensignal. Der Gate-Impuls für die Schalter wird durch Vergleichen des Sinuswellenreferenzsignals mit der dreieckigen Trägerwelle erzeugt. Die Breite jedes Impulses variiert mit der Variation der Amplitude der Sinuswelle. Die Frequenz der Ausgangswellenform entspricht der Frequenz des Referenzsignals. Die Ausgangsspannung ist eine Sinuswelle und die Effektivspannung kann durch den Modulationsindex gesteuert werden. Die Wellenformen sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

4) Modifizierte sinusförmige Pulsweitenmodulation (MSPWM)

Aufgrund der Charakteristik der Sinuswelle kann die Impulsbreite der Welle bei Variation des Modulationsindex in der SPWM-Technik nicht geändert werden. Aus diesem Grund wird die MSPWN-Technik eingeführt. Bei dieser Technik wird das Trägersignal während des ersten und letzten 60-Grad-Intervalls jedes Halbzyklus angelegt. Auf diese Weise wird seine harmonische Charakteristik verbessert. Der Hauptvorteil dieser Technik ist eine erhöhte Grundkomponente, eine verringerte Anzahl von Schaltleistungsgeräten und ein verringerter Schaltverlust. Die Wellenform ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

(V) Entsprechend der Anzahl der Ebenen am Ausgang

• Regulärer zweistufiger Wechselrichter
• Mehrstufiger Wechselrichter

1) Normaler zweistufiger Wechselrichter

Diese Wechselrichter haben am Ausgang nur Spannungspegel, die positive Spitzenspannung und negative Spitzenspannung sind. Manchmal wird ein Nullspannungspegel auch als Zwei-Pegel-Wechselrichter bezeichnet.

2) Multilevel-Wechselrichter

Diese Wechselrichter können am Ausgang mehrere Spannungspegel haben. Der mehrstufige Wechselrichter ist in vier Teile gegliedert.

- Flugkondensator Wechselrichter

- Diodengeklemmter Wechselrichter

- Hybrid Wechselrichter

- Wechselrichter vom Typ Cascade H.

Jeder Wechselrichter hat sein eigenes Betriebsdesign. Hier haben wir diese Wechselrichter kurz erläutert, um grundlegende Ideen zu erhalten.