Wprowadzenie do falowników: budowa, zasady działania i funkcje

Czym jest falownik?

Falownik to przetwornica, która przetwarza prąd stały (z akumulatora lub akumulatora) na prąd przemienny o stałej częstotliwości, stałym napięciu lub regulowanym częstotliwościowo i napięciowo. Składa się z mostka falownika, układu logicznego sterowania i układu filtrującego. Składa się z półprzewodnikowych elementów mocy oraz obwodów napędowych i sterujących. Wraz z rozwojem technologii mikroelektroniki i elektroniki mocy, pojawiły się nowe, wysokiej mocy elementy półprzewodnikowe i zaawansowane obwody sterowania napędem. Obecnie do powszechnie stosowanych w falownikach urządzeń należą: tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT)tranzystory polowe mocy (MOSFET), tyrystory sterowane tranzystorami MOS (MCT) oraz inteligentne moduły mocy (IPM), które są zaawansowane i łatwe w sterowaniu. Przykłady technologii dużej mocy. Obwody sterowania ewoluowały od analogowych układów scalonych do wykorzystania mikroprocesorów jednoprocesorowych lub cyfrowych procesorów sygnałowych (DSP) do sterowania, umożliwiając dalszy rozwój falowników pod względem systematyzacji, kompleksowej kontroli, oszczędności energii i wielofunkcyjności.

Elementy falownika

Wejście DC: Wejście DC falownika odbiera prąd stały ze źródła zasilania lub akumulatora. Ta część zazwyczaj obejmuje złącza wejściowe, obwody zabezpieczające wejście itp.

Obwód falownika: Obwód falownika jest rdzeniem falownika i odpowiada za konwersję prądu stałego na prąd przemienny. Obwody falownika zazwyczaj składają się z półprzewodnikowych elementów mocy (takich jak tyrystory, tranzystory IGBT, tranzystory MOSFET itp.) oraz odpowiadających im obwodów sterujących w celu konwersji napięcia i częstotliwości.

Obwód sterowania: Obwód sterowania służy do sterowania i regulacji falownika w celu zapewnienia stabilności i dokładności napięcia wyjściowego oraz częstotliwości. Obwód sterowania jest zazwyczaj realizowany przez mikrokontroler lub cyfrowy procesor sygnałowy, w tym układy sterowania w pętli zamkniętej i funkcje zabezpieczające.

Obwód filtra wyjściowego: Obwód filtra wyjściowego służy do filtrowania harmonicznych i zakłóceń na wyjściu falownika w celu poprawy jakości i stabilności napięcia wyjściowego. Obwód filtra wyjściowego zazwyczaj zawiera elementy takie jak cewki indukcyjne i kondensatory.

Układ odprowadzania ciepła: Falownik generuje ciepło podczas pracy, dlatego wymagany jest wydajny układ odprowadzania ciepła, aby schłodzić urządzenia i obwody elektroniczne i zapewnić ich normalną temperaturę pracy. Układ chłodzenia zazwyczaj obejmuje radiatory, wentylatory chłodzące lub układy chłodzenia cieczą.

Obwód zabezpieczający: Obwód zabezpieczający służy do ochrony falownika przed nieprawidłowymi warunkami, takimi jak przeciążenie, przepięcie, przetężenie, zwarcie itp., a także do zapewnienia bezpieczeństwa i stabilności falownika oraz podłączonego sprzętu.

Zacisk wyjściowy: Zacisk wyjściowy falownika dostarcza przekonwertowany prąd przemienny i jest podłączony do odpowiedniego urządzenia obciążającego, takiego jak urządzenia gospodarstwa domowego, silniki itp. Wyjście zwykle obejmuje złącze wyjściowe i obwód zabezpieczający wyjście.

Jak działa falownik

Falownik działa na podobnej zasadzie jak zasilacz impulsowy. Wykorzystuje on układ oscylacyjny lub specjalistyczny obwód do regulacji wyjściowego sygnału oscylacyjnego. Sygnał ten jest następnie wzmacniany w celu ciągłego przełączania lampy polowej. Poprzez regulację parametrów prądu przemiennego, falownik może wytwarzać prąd przemienny o przebiegu sinusoidalnym, zbliżony do tego występującego w sieci energetycznej.

Falownik zaczyna działanie od pobrania prądu stałego (DC) ze źródła zasilania prądem stałym, np. akumulatora, akumulatora magazynującego lub panelu słonecznego.

Konwersja prądu stałego na prąd przemienny:

Konwersja impulsowa: Półprzewodnikowe elementy mocy (takie jak MOSFET, IGBT itp.) wewnątrz falownika pracują w trybie impulsowym o wysokiej częstotliwości, przekształcając prąd stały w prąd przemienny (AC) o wysokiej częstotliwości. Obwód sterujący bramką lampy przełączającej może być sterowany przez układ logiczny lub specjalny układ sterujący, mikrokontroler ogólnego przeznaczenia lub układ DSP itp. i posiada funkcję stabilizacji napięcia wyjściowego falownika.

Modulacja i kontrola:

Sygnał PWM jest następnie generowany przez falownik sterujący PWM, aby zapewnić margines. Amplituda może zmieniać się od 10% do 20%, a modyfikacja z niskiej do wysokiej nie jest ograniczona; wystarczy zmniejszyć współczynnik wypełnienia PWM. Zatem zakres wahań napięcia wejściowego DC falownika wynosi od -15% do 20%. Dopóki napięcie urządzenia na to pozwala, nie ma ograniczeń. Wymagane są jedynie niewielkie korekty szerokości impulsu wyjściowego (równoważne siekaniu). PWM reguluje czasy włączania i wyłączania elementów przełączających, aby sterować wyjściowym przebiegiem prądu przemiennego. Technologia PWM sprawia, że przebieg wyjściowy jest bliższy przebiegowi sinusoidalnemu i umożliwia regulację napięcia wyjściowego oraz częstotliwości.

Filtrowanie i kształtowanie:

Obwód filtrujący: Przetworzony prąd przemienny o wysokiej częstotliwości jest filtrowany przez obwód filtrujący (w tym cewki indukcyjne i kondensatory) w celu usunięcia składowych o wysokiej częstotliwości i wygładzenia przebiegu, nadając mu kształt zbliżony do czystej fali sinusoidalnej. Zadaniem obwodu filtrującego jest eliminacja szumów o wysokiej częstotliwości i składowych harmonicznych podczas procesu przełączania, aby uzyskać płynny sygnał wyjściowy prądu przemiennego.

Regulacja napięcia:

Sterowanie sprzężeniem zwrotnym: Wbudowany w falownik układ sterowania sprzężeniem zwrotnym stale monitoruje napięcie i prąd wyjściowy oraz dostosowuje je do zadanych wartości, aby zapewnić stabilność napięcia i częstotliwości wyjściowej. Układ sterowania sprzężeniem zwrotnym może szybko reagować na zmiany obciążenia i utrzymywać stabilną moc wyjściową.

Wyjście:

Wyjście prądu przemiennego: Modulowany, konwertowany i filtrowany prąd przemienny jest wyprowadzany przez zacisk wyjściowy i dostarczany do różnych obciążeń prądu przemiennego, takich jak urządzenia gospodarstwa domowego, sprzęt elektroniczny itp. Prąd przemienny na wyjściu ma zazwyczaj przebieg sinusoidalny o napięciu 220 V i częstotliwości 50 Hz (lub 110 V i częstotliwości 60 Hz, w zależności od konkretnego zastosowania i regionu).

Funkcje falownika

1. Wysoka sprawność konwersji i szybki rozruch. Obecnie, wraz z rozwojem technologii, sprawność konwersji energii falowników jest zazwyczaj wyższa, zazwyczaj powyżej 90%. Sprawność konwersji falowników produkowanych przez JCPOWER może sięgać nawet 94%.

2. Posiada mechanizmy zabezpieczające: zabezpieczenie przed podnapięciem, zabezpieczenie przed zwarciem, zabezpieczenie przed odwrotnym podłączeniem, zabezpieczenie przed przeciążeniem, zabezpieczenie przed wysokim napięciem i zabezpieczenie przed nadmiernym prądem.

3. Większość inwerterów wykorzystuje obudowy aluminiowe w pełni zabezpieczone przed utlenianiem i charakteryzujące się dobrymi parametrami odprowadzania ciepła.

4. Stabilne napięcie i częstotliwość: Falownik może generować stabilne napięcie i częstotliwość, co pozwala na prawidłową pracę podłączonego obciążenia.

5.Inteligentne sterowanie:

• Sterowanie cyfrowe: do sterowania stosuje się mikrokontroler lub procesor sygnałowy (DSP), co zwiększa dokładność sterowania i szybkość reakcji.
• Śledzenie punktu maksymalnej mocy (MPPT): W systemach fotowoltaicznych falownik jest w stanie dynamicznie regulować napięcie wejściowe w celu maksymalizacji mocy wyjściowej panelu słonecznego.

Silna kompatybilność:

Dostosowanie do różnych typów obciążeń: Falowniki mogą dostosowywać się do obciążeń rezystancyjnych (takich jak oświetlenie i grzejniki elektryczne), obciążeń indukcyjnych (takich jak silniki i transformatory) oraz obciążeń pojemnościowych (takich jak komputery i sprzęt elektroniczny).
Kompatybilny z różnymi typami akumulatorów: Jest kompatybilny z akumulatorami kwasowo-ołowiowymi, litowymi i innymi typami akumulatorów, spełniając potrzeby różnych systemów magazynowania energii.

Konstrukcja modułowa:

Łatwa rozbudowa i konserwacja: Wiele inwerterów ma konstrukcję modułową, która ułatwia rozbudowę i konserwację systemu.

Scenariusze zastosowań falownika

• Zastosowania domowe: domowe systemy fotowoltaiczne, systemy zasilania bezprzerwowego (UPS), zasilacze awaryjne i zasilanie urządzeń gospodarstwa domowego.
• Zastosowania przemysłowe: sterowanie automatyką przemysłową, przemysłowe systemy UPS, systemy energii odnawialnej, systemy magazynowania energii, zasilanie urządzeń przemysłowych, komunikacja i centra danych.
• Zastosowania mobilne: falowniki samochodowe, falowniki do łodzi, zajęcia na świeżym powietrzu i kemping, sklepy mobilne i food trucki.

Środki ostrożności podczas korzystania z falownika

1. Napięcie akumulatora musi być zgodne z napięciem wejściowym prądu stałego falownika. Na przykład, falownik 12 V musi być podłączony do akumulatora 12 V.
2. Moc wyjściowa falownika musi być większa niż łączna moc wszystkich obciążeń, co pozostawia margines bezpieczeństwa dla 20%. Urządzenia elektryczne dużej mocy i urządzenia elektryczne z silnikami wymagają większego marginesu bezpieczeństwa, aby zapewnić normalne użytkowanie.
3. Zaciski przyłączeniowe na wejściu napięcia stałego falownika są oznaczone biegunami dodatnim i ujemnym. Czerwony to biegun dodatni (+), a czarny to biegun ujemny (-). Akumulator również jest oznaczony biegunami dodatnim i ujemnym; czerwony to biegun dodatni (+), a czarny to biegun ujemny (-). Podczas podłączania należy połączyć biegun dodatni (czerwony z czerwonym) i biegun ujemny. Należy również połączyć biegun ujemny (czarny łączy się z czarnym). Przewód przyłączeniowy musi być wystarczająco gruby, a jego długość należy maksymalnie skrócić.
4. Falownik należy umieścić w chłodnym, wentylowanym i suchym miejscu, aby zapobiec jego kontaktowi z deszczem, z dala od materiałów łatwopalnych i wybuchowych oraz w miejscu oddalonym od innych obiektów.
5. Kategorycznie zabrania się używania falownika, którego obudowa jest uszkodzona.
6. Podczas podłączania akumulatora należy zachować suchość rąk i upewnić się, że na rękach nie ma żadnych metalowych przedmiotów.
7. Do czyszczenia falownika należy używać suchej szmatki lub ściereczki antystatycznej.
8. Jeśli nie można normalnie używać falownika, należy zapoznać się z instrukcją obsługi w celu rozwiązania problemu.

Wniosek

Technologia inwerterów będzie stale udoskonalana i ulepszana, dopóki istnieje. Inwertery, kluczowy element przetwarzania energii, będą wykorzystywane w coraz większej liczbie zastosowań, promując inteligentne i efektywne wykorzystanie energii. Jednak aby zapobiec wypadkom, należy również używać inwertera w standardowy sposób.

Często zadawane pytania