อินเวอร์เตอร์แรงดันไฟฟ้าคืออะไร ทำงานอย่างไร การใช้งานของอินเวอร์เตอร์

อุปกรณ์จ่ายไฟอิเล็กทรอนิกส์พิเศษที่เรียกว่าอินเวอร์เตอร์ใช้เพื่อแปลงไฟฟ้ากระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ บ่อยครั้งที่อินเวอร์เตอร์แปลงแรงดันไฟตรงขนาดหนึ่งเป็นแรงดันไฟกระแสสลับขนาดอื่น

ดังนั้น อินเวอร์เตอร์จึงเป็นเครื่องกำเนิดแรงดันไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงเป็นระยะ ในขณะที่รูปคลื่นของแรงดันไฟฟ้าอาจเป็นรูปคลื่นไซน์ ใกล้กับไซน์หรือพัลซิ่ง... อินเวอร์เตอร์ถูกใช้เป็นทั้งอุปกรณ์อิสระและเป็นส่วนหนึ่งของระบบจ่ายไฟสำรอง (UPS)

ในฐานะที่เป็นส่วนหนึ่งของแหล่งจ่ายไฟสำรอง (UPS) อินเวอร์เตอร์อนุญาตให้รับพลังงานอย่างต่อเนื่องไปยังระบบคอมพิวเตอร์และหากแรงดันไฟฟ้าหายไปในเครือข่ายทันที อินเวอร์เตอร์จะเริ่มจ่ายพลังงานที่ได้จากแบตเตอรี่สำรองให้กับคอมพิวเตอร์ทันที อย่างน้อยผู้ใช้จะได้มีเวลาปิดและปิดเครื่องคอมพิวเตอร์

เครื่องสำรองไฟขนาดใหญ่ขึ้นใช้อินเวอร์เตอร์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นพร้อมแบตเตอรี่ความจุขนาดใหญ่ที่สามารถจ่ายไฟให้กับผู้ใช้ไฟฟ้าโดยอัตโนมัติเป็นเวลาหลายชั่วโมงโดยไม่คำนึงถึงกริด และเมื่อกริดกลับสู่สภาวะปกติ UPS จะเปลี่ยนผู้ใช้ไฟฟ้าโดยตรงไปยังแหล่งจ่ายไฟหลักโดยอัตโนมัติและแบตเตอรี่จะเริ่มทำการชาร์จ

ด้านเทคนิค

ในเทคโนโลยีการแปลงไฟฟ้าสมัยใหม่ อินเวอร์เตอร์สามารถทำหน้าที่เป็นหน่วยระดับกลางเท่านั้น โดยหน้าที่ของมันคือการแปลงแรงดันไฟฟ้าผ่านการแปลงความถี่สูง (หลายสิบและหลายร้อยกิโลเฮิรตซ์) โชคดีที่ทุกวันนี้ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้อย่างง่ายดาย เพราะสำหรับการพัฒนาและออกแบบอินเวอร์เตอร์นั้น มีทั้งสวิตช์เซมิคอนดักเตอร์ที่สามารถทนกระแสหลายร้อยแอมแปร์ แกนแม่เหล็กพร้อมพารามิเตอร์ที่จำเป็น และไมโครคอนโทรลเลอร์อิเล็กทรอนิกส์ที่ออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับอินเวอร์เตอร์ (รวมถึงเรโซแนนซ์)

ข้อกำหนดสำหรับอินเวอร์เตอร์รวมถึงอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่นๆ ได้แก่ ประสิทธิภาพสูง ความน่าเชื่อถือ ขนาดและน้ำหนักที่เล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ นอกจากนี้ อินเวอร์เตอร์ยังจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องทนต่อระดับฮาร์มอนิกที่สูงขึ้นในแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่อนุญาต และไม่สร้างอิมพัลส์เสียงรบกวนที่ดังจนไม่สามารถยอมรับได้สำหรับผู้ใช้

ในระบบที่มีแหล่งพลังงาน "สีเขียว" (แผงเซลล์แสงอาทิตย์ กังหันลม) เพื่อจ่ายไฟฟ้าโดยตรงไปยังโครงข่ายไฟฟ้าทั่วไป จะใช้อินเวอร์เตอร์แบบกริดไท ซึ่งสามารถทำงานซิงโครนัสกับโครงข่ายไฟฟ้าอุตสาหกรรมได้

ในระหว่างการทำงานของอินเวอร์เตอร์แรงดันไฟฟ้า แหล่งจ่ายแรงดันคงที่จะเชื่อมต่อเป็นระยะกับวงจรโหลดที่มีขั้วผันแปร ในขณะที่ความถี่ของการเชื่อมต่อและระยะเวลานั้นเกิดจากสัญญาณควบคุมที่มาจากตัวควบคุม

ตัวควบคุมในอินเวอร์เตอร์มักจะทำหน้าที่หลายอย่าง: ควบคุมแรงดันเอาต์พุต, ซิงโครไนซ์การทำงานของสวิตช์เซมิคอนดักเตอร์, ป้องกันวงจรจากการโอเวอร์โหลด โดยทั่วไป อินเวอร์เตอร์จะแบ่งออกเป็น: อินเวอร์เตอร์แบบสแตนด์อโลน (อินเวอร์เตอร์กระแสและแรงดัน) และอินเวอร์เตอร์ตาม (แบบกริด ขับเคลื่อนแบบกริด ฯลฯ)

วงจรอินเวอร์เตอร์

สวิตช์เซมิคอนดักเตอร์ของอินเวอร์เตอร์ควบคุมโดยคอนโทรลเลอร์และมีไดโอดปัดกลับ แรงดันเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์ขึ้นอยู่กับกำลังไฟฟ้าปัจจุบันของโหลด จะถูกปรับโดยการเปลี่ยนความกว้างพัลส์โดยอัตโนมัติในตัวแปลงความถี่สูง ในกรณีที่ง่ายที่สุด PWM (การปรับความกว้างพัลส์).

ครึ่งคลื่นของแรงดันความถี่ต่ำเอาต์พุตจะต้องสมมาตรเพื่อให้วงจรโหลดไม่ได้รับส่วนประกอบคงที่ที่สำคัญในกรณีใด ๆ (สำหรับหม้อแปลงสิ่งนี้เป็นอันตรายอย่างยิ่ง) สำหรับความกว้างพัลส์ของบล็อก LF (ใน กรณีที่ง่ายที่สุด) ทำให้คงที่

ในการควบคุมสวิตช์เอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์จะใช้อัลกอริทึมเพื่อให้แน่ใจว่ามีการเปลี่ยนแปลงตามลำดับในโครงสร้างของวงจรไฟฟ้า: โดยตรง, ลัดวงจร, ย้อนกลับ

ไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง ค่ากำลังโหลดทันทีที่เอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์มีลักษณะของคลื่นความถี่คู่ ดังนั้น แหล่งกำเนิดหลักต้องอนุญาตโหมดการทำงานดังกล่าวเมื่อกระแสระลอกไหลผ่าน และทนต่อการรบกวนในระดับที่สอดคล้องกัน (ที่อินพุตอินเวอร์เตอร์)

หากอินเวอร์เตอร์เครื่องแรกเป็นแบบเชิงกลโดยเฉพาะ ปัจจุบันมีตัวเลือกมากมายสำหรับวงจรอินเวอร์เตอร์เซมิคอนดักเตอร์และมีเพียงสามรูปแบบทั่วไป: บริดจ์ที่ไม่มีหม้อแปลง, การกดที่มีขั้วศูนย์ของหม้อแปลง, บริดจ์ที่มีหม้อแปลง

วงจรบริดจ์แบบไม่ใช้หม้อแปลงพบได้ในเครื่องสำรองไฟขนาด 500 VA และอินเวอร์เตอร์ในรถยนต์ วงจรเลื่อนที่มีขั้วกลางของหม้อแปลงใช้ใน UPS พลังงานต่ำ (สำหรับคอมพิวเตอร์) ที่มีความจุสูงถึง 500 VA โดยที่แรงดันแบตเตอรี่สำรองคือ 12 หรือ 24 โวลต์ วงจรบริดจ์พร้อมหม้อแปลงใช้ในแหล่งจ่ายไฟสำรองที่ทรงพลัง (สำหรับหน่วยและหลายสิบ kVA)

รูปคลื่นแรงดันขาออก

ในอินเวอร์เตอร์แรงดันไฟฟ้ารูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า กลุ่มของสวิตช์ไดโอดย้อนกลับจะถูกสลับที่เอาต์พุตเพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับทั่วโหลดและจัดให้มีโหมดควบคุมการไหลเวียนในวงจร พลังงานปฏิกิริยา.

สิ่งต่อไปนี้มีหน้าที่รับผิดชอบในสัดส่วนของแรงดันเอาต์พุต: ระยะเวลาสัมพัทธ์ของพัลส์ควบคุมหรือการเลื่อนเฟสระหว่างสัญญาณควบคุมของกลุ่มคีย์ ในโหมดการไหลเวียนของพลังงานปฏิกิริยาที่ไม่มีการควบคุม ผู้ใช้จะมีอิทธิพลต่อรูปร่างและขนาดของแรงดันเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์

ในอินเวอร์เตอร์แรงดันไฟฟ้าที่มีเอาท์พุตรูปขั้น พรีคอนเวอร์เตอร์ความถี่สูงจะสร้างเส้นโค้งแรงดันสเต็ปแบบยูนิโพลาร์ โดยมีรูปร่างประมาณคลื่นไซน์ซึ่งมีคาบเป็นครึ่งหนึ่งของคาบของแรงดันเอาท์พุต จากนั้นวงจรสะพาน LF จะแปลงเส้นโค้งขั้นตอนแบบยูนิโพลาร์เป็นสองส่วนของเส้นโค้งสองขั้วที่มีลักษณะคล้ายกับคลื่นไซน์

ในอินเวอร์เตอร์แรงดันไฟฟ้าที่มีเอาต์พุตเป็นรูปไซน์ (หรือใกล้เคียงไซน์) พรีคอนเวอร์เตอร์ความถี่สูงจะสร้างแรงดันไฟฟ้าคงที่ใกล้เคียงกับเอาต์พุตไซน์ในอนาคต

จากนั้นวงจรบริดจ์จะสร้างตัวแปรความถี่ต่ำจากแรงดันคงที่โดยใช้ PWM หลายตัว เมื่อทรานซิสเตอร์แต่ละคู่ในแต่ละครึ่งวงจรของการสร้างคลื่นไซน์เอาต์พุตถูกเปิดหลายครั้งในช่วงเวลาที่แตกต่างกันไปตามกฎฮาร์มอนิก . จากนั้นฟิลเตอร์กรองความถี่ต่ำจะแยกไซน์ออกจากรูปคลื่นที่ได้

วงจรแปลงล่วงหน้า HF ในอินเวอร์เตอร์

วงจรการแปลงล่วงหน้าความถี่สูงที่ง่ายที่สุดในอินเวอร์เตอร์คือวงจรสร้างเอง มันค่อนข้างง่ายในแง่ของการใช้งานทางเทคนิคและมีประสิทธิภาพมากเมื่อใช้พลังงานต่ำ (สูงถึง 10-20 W) เพื่อจ่ายโหลดที่ไม่สำคัญต่อกระบวนการจ่ายไฟ ความถี่ของออสซิลเลเตอร์ไม่เกิน 10 kHz

ข้อเสนอแนะเชิงบวกในอุปกรณ์ดังกล่าวได้มาจากการอิ่มตัวของวงจรแม่เหล็กของหม้อแปลง แต่สำหรับอินเวอร์เตอร์ที่ทรงพลัง รูปแบบดังกล่าวไม่สามารถยอมรับได้ เนื่องจากการสูญเสียในสวิตช์เพิ่มขึ้น และประสิทธิภาพจะต่ำในที่สุดนอกจากนี้ การลัดวงจรใดๆ ที่เอาต์พุตจะขัดจังหวะการสั่นเอง

วงจรที่ดีกว่าของตัวแปลงความถี่สูงเบื้องต้นคือฟลายแบ็ค (สูงสุด 150 W), พุชพูล (สูงสุด 500 W), ฮาล์ฟบริดจ์และบริดจ์ (มากกว่า 500 W) ของตัวควบคุม PWM ซึ่งความถี่การแปลงสูงถึงร้อย ของกิโลเฮิรตซ์

ประเภทของอินเวอร์เตอร์ โหมดการทำงาน

อินเวอร์เตอร์แรงดันไฟฟ้าเฟสเดียวแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม: ด้วยคลื่นไซน์บริสุทธิ์ที่เอาต์พุตและคลื่นไซน์ที่ปรับเปลี่ยนอุปกรณ์สมัยใหม่ส่วนใหญ่อนุญาตให้มีรูปแบบสัญญาณเครือข่ายที่เรียบง่าย (คลื่นไซน์ที่แก้ไข)

คลื่นไซน์บริสุทธิ์มีความสำคัญต่ออุปกรณ์ที่มีมอเตอร์ไฟฟ้าหรือหม้อแปลงที่อินพุต หรือหากเป็นอุปกรณ์พิเศษที่ใช้งานได้เฉพาะกับคลื่นไซน์บริสุทธิ์ที่อินพุต

โดยทั่วไปจะใช้อินเวอร์เตอร์สามเฟสเพื่อสร้างกระแสไฟฟ้าสามเฟสสำหรับมอเตอร์ไฟฟ้า เช่น สำหรับแหล่งจ่ายไฟ มอเตอร์แบบอะซิงโครนัสสามเฟส… ในกรณีนี้ ขดลวดมอเตอร์จะเชื่อมต่อโดยตรงกับเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์ ในแง่ของพลังงาน อินเวอร์เตอร์จะถูกเลือกตามค่าสูงสุดสำหรับผู้ใช้

โดยทั่วไป อินเวอร์เตอร์มีโหมดการทำงานสามโหมด: เริ่มต้น ต่อเนื่อง และโอเวอร์โหลด ในโหมดเริ่มต้น (การชาร์จความจุ, การสตาร์ทตู้เย็น) กำลังไฟสามารถเพิ่มอัตราอินเวอร์เตอร์เป็นสองเท่าในเสี้ยววินาที ซึ่งเป็นที่ยอมรับสำหรับรุ่นส่วนใหญ่ โหมดต่อเนื่อง - สอดคล้องกับค่าพิกัดของอินเวอร์เตอร์ โหมดโอเวอร์โหลด — เมื่อกำลังไฟของผู้ใช้เป็น 1.3 เท่าของพิกัด — ในโหมดนี้ อินเวอร์เตอร์โดยเฉลี่ยจะทำงานได้ประมาณครึ่งชั่วโมง