電圧インバーターとは何ですか、その仕組み、インバーターの使用方法

インバーターと呼ばれる特別な電子電源は、直流を交流に変換するために使用されます。ほとんどの場合、インバータはある大きさの DC 電圧を別の大きさの AC 電圧に変換します。

したがって、インバータは周期的に変化する電圧の発生器ですが、電圧波形は正弦波、正弦波に近い波形、またはパルス状にすることができます... インバータは、独立したデバイスとしても、無停電電源装置 (UPS) の一部としても使用されます。

無停電電源装置 (UPS) の一部として、インバータを使用すると、たとえばコンピュータ システムに継続的に電力を供給することができ、ネットワークの電圧が突然失われた場合、インバータはバックアップ バッテリから得たエネルギーを直ちにコンピュータに供給し始めます。少なくとも、ユーザーにはコンピュータの電源を切り直す時間があります。

大型の無停電電源装置では、大容量バッテリーを備えたより強力なインバーターが使用されており、系統に関係なく消費者に何時間も自律的に電力を供給できます。また、系統が正常に戻ると、UPS が自動的に消費者を主電源に直接切り替え、バッテリーの充電が開始されます。

技術面

最新の電力変換技術では、インバーターは中間ユニットとしてのみ機能し、その機能は高周波変換 (数十、数百 kHz) を通じて電圧を変換することです。幸いなことに、今日では、この問題は簡単に解決できます。インバータの開発と設計には、数百アンペアの電流に耐えることができる半導体スイッチ、必要なパラメータを備えた磁気コア、およびインバータ用に特別に設計された電子マイクロコントローラ（共振を含む）の両方が利用可能であるためです。

インバータや他のパワーデバイスの要件には、高効率、信頼性、可能な限り最小の寸法と重量が含まれます。インバータは、入力電圧の高調波の許容レベルに耐え、ユーザーにとって許容できないほど大きなインパルスノイズを発生させないことも必要です。

一般送電網に直接電力を供給する「グリーン」電源 (ソーラー パネル、風車) を備えたシステムでは、産業用送電網と同期して動作できるグリッドタイ インバータが使用されます。

電圧インバータの動作中、定電圧源は可変極性で負荷回路に周期的に接続されますが、接続の頻度とその継続時間はコントローラからの制御信号によって形成されます。

インバータ内のコントローラは通常、出力電圧の調整、半導体スイッチの動作の同期、過負荷からの回路の保護など、いくつかの機能を実行します。一般に、インバータは、スタンドアロン インバータ (電流および電圧インバータ) と依存型インバータ (グリッド駆動、グリッド駆動など) に分類されます。

インバータ回路

インバータの半導体スイッチはコントローラによって制御され、逆シャント ダイオードを備えています。インバータの出力電圧は、負荷の現在の電力に応じて、最も単純な場合、高周波コンバータのパルス幅を自動的に変更することによって調整されます。 PWM (パルス幅変調).

出力低周波電圧の半波は、負荷回路がいかなる場合でも重要な一定成分を受信しないように対称でなければなりません (変圧器の場合、これは特に危険です)。これには、LF ブロックのパルス幅 (最も単純なケース) は定数になります。

インバータの出力スイッチの制御では、電源回路の構造を直接、短絡、逆に確実に変更するアルゴリズムが使用されます。

いずれにせよ、インバータの出力における瞬時負荷電力値は 2 倍の周波数の波の性質を持っているため、一次電源はリップル電流が流れるときにそのような動作モードを許可し、対応するレベルの干渉に耐える必要があります。 (インバータ入力時)。

最初のインバータがもっぱら機械式であったとすれば、今日では半導体インバータ回路には多くの選択肢があり、代表的な方式は 3 つだけです。トランスを使用しないブリッジ、トランスのゼロ端子を使用したプッシュ、トランスを使用したブリッジです。

トランスレスブリッジ回路は、500 VA 無停電電源装置や車載用インバータに使用されています。変圧器の中性端子を備えたスライド回路は、バックアップ バッテリの電圧が 12 または 24 ボルトである、最大 500 VA の容量を持つ低電力 UPS (コンピュータ用) で使用されます。変圧器を備えたブリッジ回路は、無停電電源装置（ユニットおよび数十 kVA 用）の強力な電源に使用されます。

出力電圧波形

方形電圧インバータでは、負荷に交流電圧を生成し、回路内に制御された循環モードを提供するために、一群の逆ダイオード スイッチが出力で切り替えられます。 無効エネルギー.

出力電圧の比例性は、制御パルスの相対的な持続時間またはキー グループの制御信号間の位相シフトによって決まります。制御されていない無効電力循環モードでは、ユーザーはインバータ出力電圧の形状と大きさに影響を与えます。

ステップ状の出力を持つ電圧インバータでは、高周波プリコンバータはユニポーラのステップ電圧曲線を形成し、その周期が出力電圧の周期の半分である正弦波の形状にほぼ近似します。次に、LF ブリッジ回路は、ユニポーラのステップ曲線を、ほぼ正弦波に似たバイポーラ曲線の 2 つの半分に変換します。

出力が正弦波 (または正弦波に近い) 形状の電圧インバータでは、高周波プリコンバータが将来の正弦波出力に近い振幅の定電圧を生成します。

次に、ブリッジ回路は、出力正弦波を形成する各半サイクルで各トランジスタのペアが高調波の法則に従って変化する時間の間数回開かれるときに、複数の PWM を使用して定電圧から低周波変数を形成します。 。次に、ローパス フィルターによって、結果の波形からサインが抽出されます。

インバーターの HF プリコンバージョン回路

インバータの最も単純な高周波プリコンバージョン回路は自己生成型です。これらは技術的な実装の点で非常にシンプルであり、電源プロセスにとって重要ではない負荷を供給するために、低電力 (最大 10 ～ 20 W) で非常に効率的です。発振器の周波数は 10 kHz 以下です。

このようなデバイスの正帰還は、トランスの磁気回路を飽和させることによって得られます。しかし、強力なインバータの場合、スイッチの損失が増加し、最終的に効率が低くなるため、このような方式は受け入れられません。また、出力に短絡があると自励発振が中断されます。

予備的な高周波コンバータのより優れた回路は、変換周波数が数百に達する PWM コントローラのフライバック (最大 150 W)、プッシュプル (最大 500 W)、ハーフブリッジおよびブリッジ (500 W 以上) です。キロヘルツの。

インバータの種類、動作モード

単相電圧インバータは、出力で純粋な正弦波を使用するグループと、修正された正弦波を使用する 2 つのグループに分けられます。最新のデバイスのほとんどでは、ネットワーク信号の簡素化された形式 (修正された正弦波) を使用できます。

純粋な正弦波は、入力に電気モーターや変圧器を備えたデバイス、または入力で純粋な正弦波でのみ動作する特殊なデバイスの場合に重要です。

三相インバータは通常、電源などの電気モーター用の三相電流を生成するために使用されます。 三相非同期モーター… この場合、モーター巻線はインバーター出力に直接接続されます。電力に関しては、ユーザーのピーク値に基づいてインバーターが選択されます。

一般に、インバータには起動、連続、過負荷の 3 つの動作モードがあります。始動モード (容量の充電、冷蔵庫の始動) では、電力はほんの数秒でインバーターの定格を 2 倍にすることができますが、これはほとんどのモデルで許容可能です。連続モード - インバータの定格値に対応します。過負荷モード — ユーザーの電力が定格電力の 1.3 倍である場合 — このモードでは、平均的なインバーターは約 30 分間動作できます。