Invertteri

Invertteri on tehoelektroniikan laite tuottaa vuorotellen jännitteiden ja virtojen lähteestä sähköenergian eri jännite tai taajuus. Tämä on tasasuuntaajan käänteinen toiminto .

Kuvaus

Taajuusmuuttaja on elektroninen virtalähde , joka voi muodostaa minkä tahansa muotoisen virran, mukaan lukien esimerkiksi vaihtovirta, tasavirrasta.

Hybridi invertteri antaa joko vaihtovirtaa tai tasavirtaa välillä virtalähteen. Tämä on erityisen hyödyllistä aurinkopaneeleissa, jotka tuottavat sähköä, kun sitä ei aina tarvita, ja ne on sitten varastoitava esimerkiksi paristoihin . Tämä tasavirta on sitten muunnettava vaihtovirraksi käyttöä varten.

Mikroinvertteri mahdollistaa pienen tilan muuntamisen tasajännitteeksi vaihtovirraksi. Virralla on jopa 1000  W tai jopa enemmän 12 V: n jännitteestä  , joka kestää 65  ° C: n lämpötilaa , jäähdytetään luonnollisella ilman konvektiolla ja jonka hyötysuhde on 95,7  % .

Periaate

Taajuusmuuttajat perustuvat H-siltarakenteeseen , joka koostuu useimmiten elektronisista kytkimistä, kuten IGBT: t , tehotransistorit tai tyristorit . Sopivasti ohjattujen kytkinten joukolla (yleensä pulssinleveyden modulointi ) lähde moduloidaan halutun taajuuden vaihtosignaalin saamiseksi.

Taajuusmuuttajia on erityyppisiä:

Erilliset taajuusmuuttajat Erillinen taajuusmuuttaja toimittaa jännitteen taajuudella, joka on joko kiinteä tai käyttäjän säätämä. Se ei aina tarvitse sähköverkkoa toimiakseen; esimerkiksi auton tupakansytyttimen pistokkeeseen kytketty matkamuunnin käyttää ajoneuvon 12  V DC: tä tuottamaan 120 tai 230  V vuorotellen taajuudella 50 tai 60  Hz . Näitä taajuusmuuttajia käytetään erityisesti vastaanottamaan televisiota nomadisessa tilassa (esimerkiksi matkailuauton satelliittivastaanotin) ilman matalajännitteistä (~ 12 V ) virtalähteen tuloa  . Ei-itsenäiset taajuusmuuttajat Ei-autonominen taajuusmuuttaja on kaikentyyppinen tyristorinen tasasuuntaajakokoonpano ( Graetz-silta ), joka luonnollisessa kommutaatiossa, jota verkko, johon se on kytketty, auttaa, toimii invertterinä (esimerkiksi palauttamalla energiaa jarrutusjaksojen aikana sähkömoottorissa ). Tasa- ja vaihtovirtamoottoreiden, syklokonvertterien , synkroni- ja asynkronikoneiden virta-invertterien muuttuvanopeuksisten staattisten käyttölaitteiden kehittämisen pohjalta tämän tyyppinen kokoonpano syrjäytetään vähitellen IGBT- muuntimien tai GTO .

Hybridi- tai älykkäät invertterit

Hybridi taajuusmuuttajat tai älykäs ovat uuden sukupolven omistettu uusiutuvan energian sovelluksia kulutukseen, erityisesti aurinkosähkö ( aurinkoinvertteri ). Aurinkosähköpaneelien energia on aktiivista vain päivällä ja lähinnä silloin, kun aurinko on sen huippukokouksessa  : se on siis vaihteleva eikä synkronoitu kotien kulutuksen kanssa. Siksi on tarpeen:

Historia

David Prince olisi todennäköisesti "invertterin" keksijä. Todellakin vuoden 1925 artikkelissa nimeltä "Inverter". Prince kertoo suurimman osan osatekijöistä ja periaatteesta. Alun perin termiä "invertteri" olisi tällöin käytetty kuvaamaan tasasuuntaajan käänteistä toimintaa ("tasasuuntaaja" englanniksi). Siten ilmestyi ensin termi "käänteinen korjaus", joka muutettiin sitten "invertteriksi" käyttöä varten.

Vuodesta 1936 tiedeyhteisö käytti termiä "invertteri" julkaisuissa ympäri maailmaa. .

Tekninen käyttö

Taajuusmuuttajia on monenlaisia, kaksi pääluokkaa, jotka on erotettava, ovat yksivaiheiset vaihtosuuntaajat kolmivaiheisista taajuusmuuttajista . Toisin sanoen ensimmäisen luokan avulla voidaan muuntaa tasajännite (esimerkiksi akun tai tasasuuntaajan ulostulosta ) sinimuotoiseksi jännitteeksi . Toinen tyyppi toimii samalla tavalla, mutta sen sijaan, että muunnettaisiin jännite yhdeksi siniksi , se tuottaa kolme vaihesiirtoa kumpikin niiden välillä 120 ° tai radiaaneilla.

Yksivaiheiset invertterit

Rakenne

Tavanomainen yksivaiheinen invertteri koostuu 4 IGBT: stä, joista jokaisessa on rinnakkaista diodia kaksisuuntaisen virran varmistamiseksi (katso kuva 1). Taajuusmuuttajaa on sitten ohjattava sopivalla PWM- ohjauksella halutun jännitteen saavuttamiseksi. Haluttu jännite syötetään yleensä korkeamman tason ulkoisella säätösilmukalla, joka viime kädessä mahdollistaa PWM: n tuottamisen . Ulkoisen säätösilmukan on muun muassa kyettävä toimittamaan haluttu sinitaajuus ja sen amplitudi suhteessa DC-väyläjännitteeseen, jota kutsutaan modulointihakemistoksi. Modulaatioindeksi määritetään useimmiten seuraavasti:

kanssa:

Invertterit, joissa on enemmän virtakytkimiä ( IGBT ), ovat joustavampia syntyvän jännitteen suhteen. Näitä taajuusmuuttajia kutsutaan sitten monitasoinen muuntimet ( monitasoinen muuttaja Englanti, tai MMC teknisissä asiakirjoissa).

Kolmivaiheiset taajuusmuuttajat

Rakenne

Kuten yksivaiheisissa inverttereissä, myös kolmivaiheiset invertterit koostuvat IGBT: stä . Perinteisimmissä on kuitenkin 6 (2 lisäkytkintä taajuusmuuttajan kättä kohden). Näiden 6 kytkimet muodostavat yhdessä 3 kytkentä soluja , joka mahdollistaa DC-jännite on hienonnettu osaksi tasapainottavat kolmivaiheisen sinimuotoinen jännite , jotta tarjonnan, esimerkiksi tahtimoottori tai asynkroninen moottori (katso kuva 2). Yksivaiheisissa taajuusmuuttajissa kolmivaiheisissa taajuusmuuttajissa voi olla enemmän kytkimiä, jotta tuotettu jännite olisi tarkempi, mutta myös harmonisten vähentämiseksi . MMC: n suurin haittapuoli on niiden kustannukset, varsinkin kun kyseessä on suurtuotanto. Itse asiassa, jos tavoitteena on tuottaa esimerkiksi sähköajoneuvoja, on yksi invertteri ajoneuvoa kohti. Joten voimme helposti ymmärtää, että IGBT-laitteiden lisääminen (vaikka niiden yksittäiset kustannukset olisivatkin alhaiset) voi olla erittäin kallista sekä valmistajalle että käyttäjälle.

Taajuusmuuttajan ohjaus

Taajuusmuuttajia ohjataan voimakkaasti epälineaarisella ohjauksella. Tämä epälineaarisuus johtuu IGBT: stä koostuvien taajuusmuuttajien rakenteesta, joita voidaan ohjata vain kaikessa tai ei missään. Siksi on välttämätöntä, että komento on myös kaikki tai ei mitään. Taajuusmuuttajakytkimien klassisin ohjaus tapahtuu vertaamalla kahta signaalia. Todellakin tämä pakottaa komennon olemaan binaarinen (joko 0 tai 1). Kyseisiä signaaleja kutsutaan moduloiviksi ja kantajiksi . Moduloituna olennaisesti referenssijännite jaettuna väyläjännitteellä, jonka siirtymä on 0,5, ja kantoaalto on kolmiomainen signaali välillä 0 ja 1.

Komento generoidaan sitten seuraavasti: Jos modulaattori on suurempi kuin kantoaalto, kytkentäkomento vie muuten 1 ja 0. On tärkeää tietää, että yllä määritelty modulaattori ei ole ainoa mahdollinen ja että niitä on hyvin suuri määrä.

Modulaattorin ja kantajan vertailu ei ole ainoa mahdollisuus. On, muun muassa SVM (tai spatiaalinen modulointi vektori ranskaksi), joka muodostaa Gold standardi teollisuudessa, sen täytäntöönpanon helppous, sen harmoninen etuja sekä laajentamista sen lineaarisuus vyöhykkeen 15% (tarkemmin, suurin modulaatioindeksi on nyt yhtä suuri kuin ) edellä kuvatun kolmiomaisen kantoaallon PWM suhteen .

Tavalliset tekniikat

Ajan myötä on kehitetty monia säätötekniikoita, joiden erot, edut ja haitat ovat seuraavissa kohdissa:

Muut kuvatut tekniikat koskevat vain 3-varsiisia 2-tasoisia taajuusmuuttajia ja 2-tason yksivaiheisia taajuusmuuttajia. Ylimääräisten taajuusmuuttajien tilaukset muuttavat nimen ja luokan nimeksi Monitasoiset muuntimet . Niiden valtavan monimuotoisuuden vuoksi ei ole syytä keskustella näiden järjestyksestä täällä.

Sinimuotoinen modulointi (SPWM)

Tavallisin menetelmä, tasajännitelähteen normalisoimaa vertailusignaalia verrataan kolmion kantoaalloon kytkentäkennojen komennon muodostamiseksi . Tätä menetelmää käytetään harvoin teollisuudessa sen erittäin heikon harmonisen laadun ja tehokkuuden vuoksi. SVM tai 3. asteen harmoninen injektio on yleensä edullinen.

3. asteen harmoninen injektio (THIPWM)

Vertailemme normalisoitua referenssisignaalia, johon olemme lisänneet kolmannen harmonisen amplitudin 1/6 tai 1/4. Tätä uutta signaalia verrataan sitten kolmion kantoaalloon kytkentäsolujen ohjauksen muodostamiseksi . On huomattava, että on välttämätöntä, että näin lisättyjen yliaaltojen taajuus on luokkaa 3 (tai 3: n kerrannaisia), jotta taajuusmuuttajan vaiheiden välinen symmetria säilyy. Todellakin, signaalin muodostavien kolmen sinin summa on matemaattisesti yhtä suuri kuin 0.

Spatiaalinen vektorimodulaatio (SVM)

Kyse ei ole enää signaalin vertaamisesta kolmion kantajaan, vaan vektorin tuottamisesta kompleksitasossa Chasles-suhteen ansiosta vektoreihin, jotka invertteri voi tuottaa. Vaikka tämä strategia on vektorialkuperässä, se on helppo pienentää kolmion kantajaan perustuvaksi menetelmäksi laskemalla kolmivaiheisen signaalin mediaani.

Satunnainen modulointi (RPWM)

Kolmion muotoisella kantoaallolla ei ole enää vakiota taajuutta ajanjakson aikana. Tämä heikentää harmonista spektriä, mutta parantaa huomattavasti vaikutelmaa melusta (eikä tosiasiallisesti tuotetusta melusta!). Vaikka akustisten aaltojen voima on sama, tämä menetelmä antaa vaikutelman hienosta hiekan virtauksesta.

Jatkuva modulointi (DPWM)

Tämä on myös menetelmä harmonisen ruiskutuksen tai yhteismoodin jännitteen ruiskuttamisen suhteen, jonka tarkoituksena on jäädyttää ajoittain kytkentäkenno häviöiden vähentämiseksi invertterissä. Tunnetuimmat DPWM-strategiat ovat DPWM1, DPWM2, DPWM3, DPWMMin sekä DPWMMax

Edistyneet tekniikat Offline-tekniikat

Ns. Offline-strategioissa (optimaalinen pulssimalli englanniksi) oletetaan, että koko komento on musta laatikko, ja jännitteestä ja halutusta tulotaajuudesta riippuen mikroprosessori lukee taulukon. Kytkentäkulmat halutun ohjauksen saavuttamiseksi mahdollisimman tehokkaasti. Kytkentäkulmat lasketaan etukäteen optimointimenetelmillä.

Online-tekniikat

Nämä strategiat tunnetaan automaattisesti, ja ne koostuvat ohjattavan järjestelmän tuntemuksen perusteella PWM: n luomisesta. Näiden komentojen joukossa on muun muassa ennustava komento.

Sovellukset

Invertteri on yksi laajimmalle levinneistä kokoonpanot tehoelektroniikan; sillä on useita sovelluksia:

  • varavoimageneraattoreiksi  ;
  • UPS  ;
  • kytkentä aurinkopaneelien ja sähköverkon  ;
  • monet laitteet, jotka vaativat toimimaan tietyllä taajuudella:
  • taajuusmuuttajat edestakaisin koneiden: verkkojännite tasasuunnataan ja vaihtosuuntaajan tuottaa jännite, jonka taajuus ja muoto ovat säädettävissä;
  • jännitteenmuuntimet edelleen / edelleen leikkaus  : DC jännite on korkea taajuus aalto ensimmäinen (muutamia kymmeniä tai satoja kHz) ja levitetään sitten muuntajan ferriitin ja lopuksi otetaan talteen;
  • kaarihitsauksen alalla taajuusmuuttajia kutsutaan joskus inverttereiksi englanninkielisen terminologian mukaan. Taajuusmuuttajien kaaren aliasemat tuottaa yksivaiheisen vaihtovirran keskitaajuudella (välillä 5 ja 20  kHz ), joka mahdollistaa käytön step-up muuntajat huomattavasti pienempi ja kevyempi kuin perinteisesti käytetään taajuudella verkon, joko 50 tai 60  Hz . Näille koneille on ominaista pieni paino / tehosuhde, hyvin pieni vaihesiirto (kosini phi) ja hyvä soveltuvuus vihamielisessä ympäristössä (työolosuhteet, vaihteleva virransyöttö generaattorilla, matalat tai korkeat lämpötilat  jne. );
  • yleisölle tarkoitetun maanpäällisen mobiilitelevisiovastaanoton alalla taajuusmuuttajat (12  V > 230  V ) mahdollistavat esimerkiksi television liittämisen auton tai kuorma-auton tupakansytyttimen liittimeen ;
  • sähkö- ja hybridiajoneuvojen alalla taajuusmuuttaja muuntaa tasavirta-akun jännitteen sinimuotoiseksi jännitteeksi, joka voidaan hyväksyä synkronisilla ja asynkronisilla koneilla .

Keskeytymätön virtalähde

Taajuusmuuttaja on myös osa keskeytymättömiä virtalähteitä (UPS). Yleisessä kielenkäytössä termiä "invertteri" käytetään lisäksi usein tällaisen virtalähteen osoittamiseen, esimerkiksi tietokoneiden turvavirtalähteenä.

Huomautuksia ja viitteitä

Huomautuksia

  1. Sitten tarvitaan 100  A : n virtaa akun ja johtimien tasolla.
  2. Solar keskipäivällä tai 2  p.m Manner-Ranskan kesällä.

Viitteet

  1. [PDF] Tehoelektroniikan kurssi, DC-AC-muunnos, Invertterit , DUT, Joseph Fourrier University
  2. [PDF] Luku 3: Invertterit , moniste DUT Sähkötekniikka ja teollisuuslaskenta
  3. [PDF] Jean Noël Fiorina, Invertterit ja harmoniset yliaallot (epälineaaristen kuormien tapaus) , Cahier Technique Merlin Gerin n o  159, 1992
  4. esimerkki mikroinvertterista (M250) enphase.com -sivustolla, käyty 29. lokakuuta 2014
  5. [PDF] Pierre Lefranc, Suuritehoisten IGBT-ohjauspiirien tutkimus, suunnittelu ja tuotanto , Väitöskirja, INSA de Lyon , 2005
  6. [PDF] S. Deramond, Invertterit, DC / AC-virtalähteet , Jen Dupuy Industrial Trades High School, 2010
  7. Hybridi-invertterit , Imeon Energy
  8. Luku 1: Taajuusmuuttajat , osoitteessa abes.fr
  9. aurinkosähkön ostovelvollisuus edf-oasolaire.fr -sivustossa, kuultu 8. elokuuta 2013
  10. DC Prince The Inverter , GE-katsaus, 1925
  11. EL Owen History [taajuusmuuttajan alkuperä] , IEEE Industry Applications Magazine, 1996
  12. [1] , Tutkimusportilla, käyty 25. heinäkuuta 2020
  13. H. Foch, M. Metz T. Meynard, H Piquet & F. Richardeau, From dipoles to the switching cell , France, Techniques de l'Ingénieur, coll. "Suunnittelijan tekniikat Sähkömuuntimet ja sovellukset", 2006, d3075
  14. D.Grahame Holmes & Thomas A.Lipo, pulssinleveyden modulaatio tehomuuntajille, periaatteet ja käytäntö , Yhdysvallat, IEEE Press, coll. "IEEE Press series on Power Engineering", 2003 ( ISBN  0-471-20814-0 )
  15. JF Gieras, C.Wang & JC Lai, monivaiheisten sähkömoottoreiden kohina , CRC Press, 2006 ( ISBN  9781315220987 )
  16. “  Taajuusmuuttajat (UPS) | Schneider Electric France  ” , www.se.com (käytetty 5. maaliskuuta 2021 )
  17. [PDF] Violaine Didier, Invertterit aurinkosähköjärjestelmille, Käyttö, uusinta tekniikkaa ja suorituskykyä koskeva tutkimus , photovoltaique.info, 2007
  18. [PDF] M. Adouane, M. Haddadi, A. Malek ja M. Hadjiat, Mikrokontrollerin PIC 16F876A hallinnoiman autonomisen yksivaiheisen invertterin tutkimus ja suunnittelu , Revue des Energies Renouvelables Vol. 12 n o  4 (2009) s.  543-550
  19. [PDF] M. Correvon, Taajuusmuunnin, jossa välipiirin tasajännitteeksi (U-muunnin) , Haute École d'Ingénieur et de Gestion du Canton de Vaud
  20. [PDF] + (in) Jim Williams, "Neljäs sukupolvi LCD-taustavalotekniikkaa: Komponenttien ja mittausten suorituskyvyn parannukset tarkentuvat" , Linear Technology Application Note 65, marraskuu 1995.
  21. [PDF] Kaarihitsauslaite 161 STL, 201 TS, Käyttöohje , Lämpökaari, 2012
  22. Mikä on invertteri? Kuinka valita? Ecus.fr-verkkosivustolla

Katso myös

Aiheeseen liittyvät artikkelit

Ulkoiset linkit