Áramkörök folytatás:

DC/AC átalakító (inverter)

Mint neve is mutatja, egyenfeszültségből csinál váltakozó feszültséget. Ezen elgondolás mentén több megoldás is létezik, pl. DC motor hajt egy szinkron generátort, vagy aktív elektronikus alkatrészek (pl.: tranzisztor, akár bipoláris, akár térvezérelt) felhasználásával épített verziók.

Az általános elvárások ezekkel a berendezésekkel szemben:

- Frekvenciastabilitás, ami azt jelenti, hogy terheléstől függetlenül képesek legyenek tartani a számukra előírt kimeneti frekvenciát.

- Feszültségstabilitás, ami azt jelenti, hogy terheléstől függetlenül képesek legyenek tartani a számukra előírt kimeneti feszültséget (statikus 1%, dinamikus 10%).

- Kimeneti zaj/felharmonikus komponens minimalizálása (THD, ami a teljes harmonikus torzítást mutatja meg %-ban kifejezve az alapjelhez képest) (>3%).

- Kimenete csatlakoztatható legyen akár egy több betáplálással rendelkező hálózatra (szinkronizálás).

- Túlterhelés (150%), rövidzárlat (200%), és hőmegfutás elleni védelem (félvezető elemek tokozását általában 90 °C alatt érdemes tartani)

Az átalakítók csoportosítása felhasználási szempontok szerint is történt, megemlítve néhány lehetséges megoldást:

1.
o Kimeneti transzformátor van (ipari felhasználás)
o Direkt kimenetű (kereskedelmi/lakossági)
2.
o Half Bridge
o Full Bridge

A leírást kezdeném az elektronikai megoldás felől, ami a "híd" (Bridge) milyenségére utal.
Mielőtt továbblépnék, a Full és a Half bridge megoldások is kétutas egyenirányítást/váltva irányítást visznek véghez.

A Half Bridge megoldás (1. kép), ahogy a neve is sugallja, feleannyi aktív komponenst tartalmaz, mint a Full verzió.
- Nagy hátránya: speciális kimeneti transzformátor szükséges működéséhez (alternatív megoldás, ahogy a képen is van, egy 0 pontot ki kell alakítani a terhelés számára kapacitív feszültségosztóval, ez igen limitalja a kivehető teljesítményt).
- Előnye: egyszerűbb felépítés kevesebb aktív komponens miatt, jobb hatásfok (ezen részletezése az alábbi linken található, akit érdekel), hiszen a feszültségesés a diódákon értelmezve pont fele, jobb feszültségszabályozás.

1. kép

Full Bridge megoldás 2. kép (3 fázisú) és 3. kép (1 fázisú).
- Hátránya: a mai modern PWM szabályozásból adódik, a transzformator hiánya miatt igen komoly szűrésre szorul a kimenet, a 2-szer annyi aktív komponens miatt pedig az azokon eső feszültség növeli a hőveszteséget, a kimeneten elérhető feszültség limitált, megközelítőleg a DC busz feszültségének felében.
- Előnye: nem kötelező a kimenő transzformátor (ennek igen komoly előnye van a nem ipari alkalmazásban, a 35 kVA modul ~30 kg).

Az 1 fázisú rajzon (3. kép) szándékosan hagytam meg a szűrést (L12 és L13, illetve C35 és C36) és a kimenő transzformátort (T11). Ez egy való életből származó megoldás, aminek kellően alacsony a kimeneti harmonikus torzítása (kb. 2.5%).

Mivel én csak az utóbbi megoldással találkoztam, annak működését fogom bemutatni.

A 3. képen levő inverter, ahogy a képen is látható, a DC+ es DC- Busbar feliratú tápvonalon kapja meg az egyenfeszültséget, ami a Q1 es Q2 IGBT-modul(ez esetben SEMiX302GB12E4s) Kollektora és Emittere fogad. A két kimenet az IGBT modul középső pontja (a modul 2db IGBT tartalmaz sorba kötve, ezek közösítő pontja a kimenet ebben az esetben).

A lényeg, hogy az adott modulban mindig csak az egyik IGBT lehet nyitva, különben önmegsemmisítést hajt végre, hiszen rövidzárlatként funkcionál. Vagyis, hogy az áram a fogyasztón (T11) haladjon át, 2 lehetőség van: Q1 felső es Q2 alsó, vagy Q1 alsó es Q2 felső IGBT lesz nyitva egyszerre.
Hogy szinuszhullámhoz közeli kimeneti formát kapjunk, az alábbi PWM jelet kell küldeni a párosokra (4. kép innen:

Az IGBT esetben is nagyon fontos, hogy a vezérlőelektróda kapacitása miatt képes feltöltődni, ezáltal magától kinyitni! Ennek hála láttam/hallottam 60kVA inverterben felrobbanni az IGBT modult, mert a vezérlést végző modul (a 3. képen Skyper32 néven) nem volt rendesen csatlakoztatva.
Ezen modul feladata galvanikus leválasztás, illetve az IGBT számára szükséges monitorozás, védelem, és kiegészítő elemek biztosítása.

Lényegében ennyi lenne a működése az inverternek, a modulokban levő IGBT-k közül 1-1 párban kapcsolva egy irányba vezet, majd a másik párt kapcsolva a másik irányba vezet.
Ha ez PWM segítségével történik és kb. 16 kHz környékén, akkor az átfolyó áram és az azt létrehozó feszültség burkológörbéje elég közel fog esni a kívánt szinuszhullámhoz. A felharmonikusokat szűrjük a kimeneti oldalon.
A 3. képen látható rajzon látható, hogy a kimenő transzformator áttétele 1:2, ez azért szükséges, mert a DC busz feszültsége 245 V DC, ami miatt a híd kimenő feszültsége RMS ~120 V.

Egy kép a végére, hogyan is néz ki a valóságban egy ilyen híd (5. kép egy olajfinomítóban levő 20kVA kapacitású UPS-ből származik.):

Balra a fémlemez alatt vannak a DC oldali kapacitások, jobbra az AC szűrést végző fojtótekercsek, alatta pedig az AC kapacitások.
A nagyfrekvenciás szűrést a DC oldalon a polipropilén kapacitás végzi (gömbölyded fehér téglatest a kép bal szélen), és ugyanez van az AC oldalon is a jobb szélen (C36).

Folytatás következik: Automata forrásátkapcsoló berendezések.