Falownik jest elektroniczny moc urządzenia do generowania przemiennych napięć i prądów od źródła energii elektrycznej o różnym napięciu lub częstotliwości. Jest to odwrotna funkcja prostownika .
Falownik to elektroniczne urządzenie zasilające , które może generować dowolny rodzaj prądu, w tym na przykład prąd przemienny, z prądu stałego.
Inwerter hybrydowy pozwala dostarczać zarówno prąd przemienny lub prąd stały od źródła prądu. Jest to szczególnie przydatne w przypadku paneli słonecznych, które dostarczają energię elektryczną, gdy nie zawsze jest ona potrzebna i muszą być następnie przechowywane na przykład w bateriach . Ten prąd stały musi być następnie zamieniony na prąd przemienny w celu użycia.
Mikroinwerter umożliwia na niewielkiej przestrzeni zamianę napięcia stałego na prąd przemienny. Dostępne są do 1000 W , a nawet więcej, z napięcia 12 V , odporne na temperaturę 65 °C , chłodzone naturalną konwekcją powietrza i których sprawność sięga 95,7 % .
Falowniki oparte są na konstrukcji mostka H , składającego się najczęściej z przełączników elektronicznych takich jak IGBT , tranzystory mocy czy tyrystory . Za pomocą zestawu odpowiednio sterowanych przełączników (zwykle modulacji szerokości impulsu ) źródło jest modulowane w celu uzyskania sygnału AC o pożądanej częstotliwości.
Istnieją różne typy falowników:
W falowniki hybrydowe lub inteligentny to nowa generacja poświęcona energii odnawialnej aplikacji przeznaczonych do spożycia w domu, zwłaszcza dla systemów fotowoltaicznych ( inwertera solarnego ). Energia fotowoltaicznych paneli słonecznych jest aktywna tylko w ciągu dnia i głównie wtedy, gdy Słońce znajduje się w zenicie : dlatego podlega wahaniom i nie jest zsynchronizowane z konsumpcją w domach. Dlatego konieczne jest:
Wynalazcą terminu „falownik” byłby prawdopodobnie David Prince. Rzeczywiście, w artykule z 1925 roku zatytułowanym „The Inverter”. Prince wyszczególnia większość elementów składowych, a także zasady. Pierwotnie termin „falownik” był używany do określenia odwrotnego działania prostownika („prostownik” w języku angielskim). W ten sposób po raz pierwszy pojawił się termin „odwrócona rektyfikacja”, który następnie został przekształcony w „inwerter” do użytku.
Od 1936 roku termin „falownik” był używany w publikacjach na całym świecie przez środowisko naukowe. .
Istnieje wiele rodzajów falowników, dwie główne kategorie do odróżnienia to falowniki jednofazowe od falowników trójfazowych . To znaczy, że pierwsza kategoria umożliwia przekształcenie napięcia stałego (dostarczanego na przykład z baterii lub na wyjściu prostownika ) na napięcie sinusoidalne . Drugi typ działa w ten sam sposób, ale zamiast przekształcać napięcie w pojedynczy sinus , generuje trzy przesunięte fazowe między sobą o 120 ° lub radiany.
Konwencjonalny falownik jednofazowy składa się z 4 tranzystorów IGBT, każdy z diodą przeciwrównoległą w celu zapewnienia prądu dwukierunkowego (patrz rysunek 1). Falownik musi być następnie sterowany za pomocą odpowiedniego sterowania PWM , aby osiągnąć pożądane napięcie. Pożądane napięcie jest zazwyczaj dostarczane przez zewnętrzną pętlę regulacyjną wyższego poziomu, która ostatecznie umożliwi generowanie PWM . Zewnętrzna pętla regulacji musi m.in. być w stanie dostarczyć pożądaną częstotliwość sinusoidalną i jej amplitudę w stosunku do napięcia szyny DC zwanej indeksem modulacji. Wskaźnik modulacji jest najczęściej definiowany jako:
z:
Falowniki z większą liczbą przełączników mocy ( IGBT ) istnieją, aby być bardziej elastycznym w zakresie generowanego napięcia. Przetwornice te są nazywane wtedy przetwornice wielopoziomowe ( wielopoziomowe konwerter w języku angielskim, lub MMC w dokumentacji technicznej).
Podobnie jak w przypadku falowników jednofazowych, również falowniki trójfazowe składają się z tranzystorów IGBT . Jednak te najbardziej tradycyjne mają 6 (2 dodatkowe przełączniki na ramię falownika). Te 6 przełączników razem tworzy 3 komórki przełączające, które pozwolą na pocięcie napięcia stałego na symetryczne napięcie trójfazowe sinusoidalne , w celu zasilania, na przykład, silnika synchronicznego lub silnika asynchronicznego (patrz rysunek 2). Jeśli chodzi o falowniki jednofazowe, falowniki trójfazowe mogą mieć więcej przełączników, aby dokładniej określić wytwarzane napięcie, ale także zredukować harmoniczne . Główną wadą MMC jest ich koszt, zwłaszcza w przypadku produkcji na dużą skalę. Rzeczywiście, jeśli celem jest produkcja pojazdów elektrycznych (na przykład), na jeden pojazd przypada jeden falownik. Łatwo więc zrozumieć, że dodanie tranzystorów IGBT (nawet jeśli ich indywidualny koszt jest niski) może być bardzo kosztowne zarówno dla producenta, jak i użytkownika.
Falowniki są sterowane przez sterowanie silnie nieliniowe. Ta nieliniowość jest spowodowana strukturą falowników składających się z tranzystorów IGBT, którymi można sterować tylko w całości lub w nic. Dlatego konieczne jest, aby polecenie również było wszystko albo nic. Najbardziej klasyczne sterowanie przełącznikami inwerterowymi odbywa się poprzez porównanie dwóch sygnałów. W rzeczywistości wymusza to, aby polecenie było binarne (albo 0 albo 1). Sygnały, o których mowa, nazywane są modulacją i nośną . Modulacja jest konwencjonalnie, napięcie odniesienia podzielone przez napięcie szyny z przesunięciem 0,5, a nośnik jest sygnałem trójkątnym między 0 a 1.
Polecenie jest następnie generowane w następujący sposób: Jeżeli modulant jest większy niż nośna, to polecenie przełączenia przyjmuje 1 i 0 w przeciwnym razie. Ważne jest, aby wiedzieć, że zdefiniowany powyżej modulant nie jest jedynym możliwym i że jest ich bardzo dużo.
Porównanie modulanta z nośnikiem nie jest jedyną możliwością. Jest, między innymi, SVM (lub modulacja wektora przestrzennego w języku francuskim), który stanowi złoty standard w przemyśle, przez jego łatwość wdrożenia, jego harmoniczne zalety , jak również rozszerzenie swojej strefie liniowości o 15% (bardziej dokładnie, maksymalny wskaźnik modulacji jest teraz równy ), w odniesieniu do trójkątnej nośnej PWM opisanej powyżej.
Zwykłe technikiZ biegiem czasu opracowano wiele technik sterowania, a ich różnice, zalety i wady leżą w tych kilku punktach:
Pozostałe opisane techniki dotyczą tylko 3-ramiennych 2-poziomowych falowników i 2-poziomowych falowników jednofazowych. Zamówienia na dodatkowe inwertery poziomów zmieniają nazwę i kategorię na Konwertery wielopoziomowe . Ze względu na ich ogromną różnorodność nie ma mowy o omówieniu kolejności ich tutaj.
Modulacja sinusoidalna (SPWM)Najbardziej konwencjonalna metoda polega na porównywaniu sygnału odniesienia znormalizowanego przez źródło napięcia stałego z trójkątną nośną w celu wygenerowania polecenia dla komórek przełączających . Metoda ta jest rzadko stosowana w przemyśle ze względu na bardzo słabą jakość harmoniczną i wydajność. Generalnie preferowane jest wtryskiwanie harmonicznej SVM lub trzeciego rzędu.
Wtrysk harmonicznej trzeciego rzędu (THIPWM)Porównujemy znormalizowany sygnał odniesienia, do którego dodaliśmy trzecią harmoniczną o amplitudzie 1/6 lub 1/4. Ten nowy sygnał jest następnie porównywany z trójkątną nośną w celu wygenerowania sterowania komórkami przełączającymi . Należy zauważyć, że konieczne jest, aby częstotliwość tak dodanych harmonicznych była rzędu 3 (lub wielokrotności 3), aby zachować symetrię między fazami falownika. Rzeczywiście, więc suma trzech sinusów, które składają się na sygnał, pozostaje matematycznie równa 0.
Przestrzenna modulacja wektorowa (SVM)Nie chodzi już o porównywanie sygnału z trójkątną nośną, ale o wytworzenie wektora na płaszczyźnie zespolonej dzięki relacji Chaslesa z wektorami, które może wytworzyć falownik. Chociaż strategia ta ma początek wektorowy, łatwo jest ją sprowadzić do metody opartej na nośniku trójkątnym, obliczając medianę sygnału trójfazowego.
Modulacja losowa (RPWM)Nośnik trójkątny nie ma już stałej częstotliwości przez pewien okres. Pogorszy to widmo harmoniczne, ale znacznie poprawi wrażenie szumu (a nie faktycznie wytwarzanego szumu!). Chociaż moc fal akustycznych jest taka sama, metoda ta sprawia wrażenie przepływu drobnego piasku.
Nieciągła modulacja (DPWM)Jest to również metoda wstrzykiwania harmonicznych lub wstrzykiwania napięcia wspólnego, której celem jest okresowe zamrażanie komórki przełączającej w celu zmniejszenia strat w falowniku. Najbardziej znane strategie DPWM to DPWM1, DPWM2, DPWM3, DPWMMin oraz DPWMMax
Zaawansowane techniki Techniki offlineTak zwane strategie offline (optymalny wzór impulsu w języku angielskim) zakładają, że całe polecenie jest czarną skrzynką, a w zależności od napięcia i pożądanej częstotliwości wejściowej mikroprocesor odczyta tabelę kątów przełączania w celu uzyskania pożądanej kontroli tak skutecznie, jak to możliwe. Kąty przełączania są obliczane wcześniej przy użyciu metod optymalizacji.
Techniki onlineStrategie te są znane automatycznie i polegają, na podstawie znajomości sterowanego systemu, na generowaniu PWM. Wśród tych poleceń znajduje się m.in. polecenie predykcyjne.
Falownik jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych kompletów energoelektroniki; ma wiele zastosowań:
Falownik jest również elementem zasilaczy bezprzerwowych (UPS). W mowie potocznej termin „falownik” jest ponadto często używany do określenia takiego zasilacza, na przykład jako zasilacz bezpieczeństwa do komputerów.