Μετατροπείς Ρεύματος

Ένας μετατροπέας ισχύος, ή inverter, είναι μια ηλεκτρονική συσκευή ισχύος ή ένα κύκλωμα που αλλάζει το συνεχές ρεύμα (DC) σε εναλλασσόμενο ρεύμα (AC).

Η συχνότητα AC που προκύπτει εξαρτάται από τη συγκεκριμένη συσκευή που χρησιμοποιείται. Οι μετατροπείς κάνουν το αντίθετο των «μετατροπέων» που ήταν αρχικά μεγάλες ηλεκτρομηχανικές συσκευές που μετατρέπουν AC σε DC. Η τάση εισόδου, η τάση εξόδου, η συχνότητα και ο συνολικός χειρισμός ισχύος εξαρτώνται από το σχεδιασμό της συγκεκριμένης συσκευής ή κυκλώματος. Ο μετατροπέας δεν παράγει καμία ισχύ και η τροφοδοσία παρέχεται από την πηγή DC. Ένας μετατροπέας ισχύος μπορεί να είναι εντελώς ηλεκτρονικός ή μπορεί να είναι συνδυασμός μηχανικών μερών (όπως περιστροφικός διακόπτης) και ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Οι στατικοί μετατροπείς δεν χρησιμοποιούν κινούμενα μέρη στη διαδικασία μετατροπής.
Οι μετατροπείς ισχύος χρησιμοποιούνται κυρίως σε εφαρμογές ηλεκτρικής ενέργειας όπου υπάρχουν υψηλά ρεύματα και τάσεις. Κυκλώματα που εκτελούν την ίδια λειτουργία για ηλεκτρονικά σήματα, τα οποία συνήθως έχουν πολύ χαμηλά ρεύματα και τάσεις, ονομάζονται ταλαντωτές. Τα κυκλώματα που εκτελούν την αντίθετη λειτουργία, μετατρέποντας AC σε DC, ονομάζονται ανορθωτές.

Κυματομορφή εξόδου
Ένας μετατροπέας μπορεί να παράγει τετραγωνικό κύμα, τροποποιημένο ημιτονοειδές κύμα, παλμικό ημιτονοειδές κύμα, διαμορφωμένο πλάτος παλμού κύμα (PWM) ή ημιτονοειδές κύμα ανάλογα με το σχεδιασμό του κυκλώματος. Οι συνηθισμένοι τύποι μετατροπέων παράγουν τετραγωνικά κύματα ή κυματοειδή τετράγωνα κύματα. Ένα μέτρο της καθαρότητας ενός ημιτονοειδούς κύματος είναι η συνολική αρμονική παραμόρφωση (THD). Ένα τετραγωνικό κύμα παλμού λειτουργίας 50% ισοδυναμεί με ημιτονοειδές κύμα με 48% THD.
Τα τεχνικά πρότυπα για εμπορικά δίκτυα διανομής ισχύος απαιτούν λιγότερο από 3% THD σε σχήμα κύματος στο σημείο σύνδεσης του πελάτη. Το IEEE Standard 519 συνιστά λιγότερο από 5% THD για συστήματα που συνδέονται σε ηλεκτρικό δίκτυο.

Square Wave
Αυτή είναι μια από τις απλούστερες κυματομορφές που μπορεί να παράγει ένας σχεδιασμός μετατροπέα και ταιριάζει καλύτερα σε εφαρμογές χαμηλής ευαισθησίας, όπως φωτισμός και θέρμανση. Η έξοδος τετραγωνικού κύματος μπορεί να παράγει «βουητό» όταν συνδέεται με εξοπλισμό ήχου και είναι γενικά ακατάλληλη για ευαίσθητα ηλεκτρονικά.

Sine Wave
Μια συσκευή μετατροπέα ισχύος που παράγει μια ημιτονοειδής κυματομορφή πολλαπλών βημάτων αναφέρεται ως μετατροπέας ημιτονοειδών κυμάτων. Για να ξεχωρίσουν με μεγαλύτερη σαφήνεια τους μετατροπείς με έξοδο πολύ μικρότερης παραμόρφωσης από τα σχέδια μετατροπέων τροποποιημένου ημιτονοειδούς κύματος (τριών βημάτων), οι κατασκευαστές χρησιμοποιούν συχνά τη φράση μετατροπέας καθαρού ημιτονοειδούς κύματος. Σχεδόν όλοι οι μετατροπείς ποιότητας καταναλωτή που πωλούνται ως “μετατροπέας καθαρού ημιτονοειδούς κύματος” δεν παράγουν καθόλου ομαλή έξοδο ημιτονοειδούς κύματος, απλώς μια λιγότερο ασταθή έξοδο από το τετραγωνικό κύμα (δύο βήματα) και το τροποποιημένο ημιτονοειδές κύμα (τρία βήματα ) μετατροπείς. Ωστόσο, αυτό δεν είναι κρίσιμο για τα περισσότερα ηλεκτρονικά καθώς αντιμετωπίζουν την έξοδο αρκετά καλά.
Όπου οι συσκευές μετατροπέα ισχύος αντικαθιστούν την τυπική ισχύ γραμμής, είναι επιθυμητή η έξοδος ημιτονοειδούς κύματος επειδή πολλά ηλεκτρικά προϊόντα έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν καλύτερα με μια πηγή ισχύος εναλλασσόμενου ρεύματος. Η τυπική ηλεκτρική χρησιμότητα παρέχει ημιτονοειδές κύμα, συνήθως με μικρές ατέλειες, αλλά μερικές φορές με σημαντική παραμόρφωση.
Οι μετατροπείς ημιτονοειδούς κύματος με περισσότερα από τρία βήματα στην έξοδο κυμάτων είναι πιο περίπλοκοι και έχουν σημαντικά υψηλότερο κόστος από ένα τροποποιημένο ημιτονοειδές κύμα, με μόνο τρία βήματα ή τύπους τετραγωνικών κυμάτων (ένα βήμα) με τον ίδιο χειρισμό ισχύος. Οι συσκευές τροφοδοσίας εναλλαγής (SMPS), όπως προσωπικοί υπολογιστές ή συσκευές αναπαραγωγής DVD, λειτουργούν με τροποποιημένη ημιτονοειδή ισχύ. Οι κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος που λειτουργούν απευθείας σε μη ημιτονοειδή ισχύ μπορούν να παράγουν επιπλέον θερμότητα, μπορεί να έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά ροπής ταχύτητας ή μπορεί να παράγουν περισσότερο ηχητικό θόρυβο από ό, τι όταν λειτουργούν με ημιτονοειδή ισχύ.

Modified sine wave
Η τροποποιημένη έξοδος ημιτονοειδούς κύματος ενός τέτοιου μετατροπέα είναι το άθροισμα δύο τετραγωνικών κυμάτων, ένα εκ των οποίων μετατοπίζεται φάση 90 μοίρες σε σχέση με τον άλλο. Το αποτέλεσμα είναι κυματομορφή τριών επιπέδων με ίσα διαστήματα μηδενικών βολτ. μέγιστα θετικά βολτ. μηδέν βολτ μέγιστα αρνητικά βολτ και μετά μηδενικά βολτ. Αυτή η ακολουθία επαναλαμβάνεται. Το προκύπτον κύμα μοιάζει πολύ περίπου με το σχήμα ενός ημιτονοειδούς κύματος. Οι περισσότεροι φθηνοί μετατροπείς ισχύος καταναλώνουν ένα τροποποιημένο ημιτονοειδές κύμα παρά ένα καθαρό ημιτονοειδές κύμα.
Η κυματομορφή στους εμπορικά διαθέσιμους μετατροπείς τροποποιημένου ημιτονοειδούς κύματος μοιάζει με τετράγωνο κύμα αλλά με παύση κατά τη διάρκεια της αντιστροφής πολικότητας. Οι καταστάσεις μεταγωγής αναπτύσσονται για θετικές, αρνητικές και μηδενικές τάσεις. Εάν η κυματομορφή επιλέγεται να έχει τις τιμές αιχμής της για το ήμισυ του χρόνου κύκλου, η αναλογία τάσης αιχμής προς RMS είναι η ίδια με εκείνη του ημιτονοειδούς κύματος. Η τάση διαύλου DC μπορεί να ρυθμιστεί ενεργά, ή οι χρόνοι “on” και “off” μπορούν να τροποποιηθούν για να διατηρηθεί η ίδια έξοδος αξίας RMS μέχρι την τάση διαύλου DC για να αντισταθμιστούν οι μεταβολές τάσης διαύλου DC Αλλάζοντας το πλάτος του παλμού, το αρμονικό φάσμα μπορεί να αλλάξει. Το χαμηλότερο THD για ένα τροποποιημένο ημιτονοειδές κύμα τριών βημάτων είναι το 30% όταν οι παλμοί έχουν πλάτος 130 μοίρες κάθε ηλεκτρικού κύκλου. Αυτό είναι ελαφρώς χαμηλότερο από ό, τι για ένα τετραγωνικό κύμα.