交流電流（AC）電源は、ほぼすべての住宅、商業および産業界のニーズのために使用されています。しかし、ACの最大の問題は、将来の使用のために保存できないことです。したがって、ACはDCに変換され、DCはバッテリーとウルトラコンデンサーに保存されます。そして今、ACが必要なときはいつでも、DCはACベースのアプライアンスを実行するために再びACに変換されます。したがって、DCをACに変換するデバイスはインバーターと呼ばれます。インバーターは、DCを可変ACに変換するために使用されます。この変動は、電圧の大きさ、相の数、周波数、または位相差にある可能性があります。
インバータの分類
インバーターは、出力、ソース、負荷のタイプなどに基づいて多くのタイプに分類できます。以下は、インバーター回路の完全な分類です。
（I）出力特性による
- 方形波インバーター
- 正弦波インバーター
- 変更された正弦波インバーター
（II）インバーターのソースによると
- 電流源インバーター
- 電圧源インバーター
（III）負荷の種類に応じて
- 単相インバーター
- ハーフブリッジインバーター
- フルブリッジインバーター
- 三相インバーター
- 180度モード
- 120度モード
（IV）異なるPWM技術による
- 単純なパルス幅変調（SPWM）
- マルチパルス幅変調（MPWM）
- 正弦波パルス幅変調（SPWM）
- 修正された正弦波パルス幅変調（MSPWM）
（V）出力レベルの数による
- 通常の2レベルインバーター
- マルチレベルインバーター
次に、それらすべてについて1つずつ説明します。ここで、12vDCから220vACのインバータ回路設計のサンプルを確認できます。
（I）出力特性による
よると、インバータの出力特性、3つのがあることができ、インバータの異なったタイプ。
- 方形波インバーター
- 正弦波インバーター
- 変更された正弦波インバーター
1）方形波インバーター
このインバータの電圧の出力波形は方形波です。このタイプのインバーターは、すべてのアプライアンスが正弦波供給用に設計されているため、他のすべてのタイプのインバーターの中で最も使用されていません。方形波を正弦波ベースのアプライアンスに供給すると、損傷したり、損失が非常に大きくなる可能性があります。このインバーターのコストは非常に低いですが、アプリケーションは非常にまれです。ユニバーサルモーターを備えた簡単な工具で使用できます。
2）正弦波
電圧の出力波形は正弦波であり、商用電源と非常によく似た出力を提供します。私たちが使用しているすべての機器は正弦波用に設計されているため、これがこのインバーターの主な利点です。したがって、これは完璧な出力であり、機器が適切に機能することを保証します。このタイプのインバーターはより高価ですが、住宅および商業用途で広く使用されています。
3）修正された正弦波
このタイプのインバーターの構造は、単純な方形波インバーターよりも複雑ですが、純粋な正弦波インバーターに比べて簡単です。このインバータの出力は、純粋な正弦波でも方形波でもありません。このようなインバーターの出力は、2つの方形波の一部です。出力波形は正確に正弦波ではありませんが、正弦波の形状に似ています。
（II）インバーターのソースによると
- 電圧源インバーター
- 電流源インバーター
1）電流源インバーター
CSIでは、入力は電流源です。このタイプのインバーターは、高品質の電流波形が必須である中電圧産業用アプリケーションで使用されます。しかし、CSIは人気がありません。
2）電圧源インバーター
VSIでは、入力は電圧源です。このタイプのインバーターは、より効率的で信頼性が高く、動的応答が速いため、すべてのアプリケーションで使用されます。VSIは、ディレーティングなしでモーターを実行できます。
（III）負荷の種類に応じて
- 単相インバーター
- 三相インバーター
1）単相インバーター
一般的に、住宅用および商業用の負荷は単相電力を使用します。このタイプのアプリケーションには、単相インバータが使用されます。単相インバータはさらに2つの部分に分かれています。
- 単相ハーフブリッジインバーター
- 単相フルブリッジインバーター
A）単相ハーフブリッジインバーター
このタイプのインバータは、2つのサイリスタと2つのダイオードで構成され、接続は下図のようになります。
この場合、合計DC電圧はVsであり、2つの等しい部分Vs / 2に分割されます。1サイクルの時間はT秒です。
0の半サイクルの場合
T / 2の後半サイクル
Vo = Vs / 2
この操作により、周波数が1 / T Hz、ピーク振幅がVs / 2の交流電圧波形を得ることができます。出力波形は方形波です。それはフィルターを通過し、純粋な正弦波形を与える不要な高調波を除去します。波形の周波数は、サイリスタのオン時間（Ton）とオフ時間（Toff）で制御できます。
出力電圧の大きさは供給電圧の半分であり、ソース使用期間は50％です。これはハーフブリッジインバーターの欠点であり、これの解決策はフルブリッジインバーターです。
B）単相フルブリッジインバーター
このタイプのインバータでは、4つのサイリスタと4つのダイオードが使用されます。単相フルブリッジの回路図は下図のようになります。
一度に2つのサイリスタT1とT2が前半サイクル0 <t <T / 2で導通します。この期間中、負荷電圧はVsであり、これはDC電源電圧と同様です。
後半のサイクルT / 2 <t <Tの場合、2つのサイリスタT3とT4が導通します。この期間の負荷電圧は-Vsです。
ここでは、DC電源電圧と同じAC出力電圧を取得でき、ソース利用率は100％です。出力電圧波形は方形波であり、フィルタを使用して正弦波に変換します。
すべてのサイリスタが同時に、または（T1とT3）または（T2とT4）のペアで導通すると、ソースが短絡します。ダイオードは、DC電源へのエネルギーフィードバックに使用されるため、フィードバックダイオードとして回路に接続されています。
フルブリッジインバーターとハーフブリッジインバーターを比較すると、与えられたDC電源電圧負荷に対して、フルブリッジインバーターの出力電圧は2倍、出力は4倍です。
2）三相ブリッジインバーター
産業用負荷の場合、三相AC電源が使用され、このために、三相インバーターを使用する必要があります。このタイプのインバータでは、6つのサイリスタと6つのダイオードが使用され、下の図に示すように接続されています。
ゲートパルスの程度に応じて2つのモードで動作できます。
- 180度モード
- 120度モード
A）180度モード
この動作モードでは、サイリスタの導通時間は180度です。期間中いつでも、3つのサイリスタ（各相から1つのサイリスタ）が導通モードになっています。図に示すように、相電圧の形状は3段の波形であり、線間電圧の形状は準方形波です。
Vab = Va0 – Vb0 Vbc = Vb0 – Vc0 Vca = Vc0 – Va0
|
フェーズA |
T1 |
T4 |
T1 |
T4 |
||||||||
|
フェーズB |
T6 |
T3 |
T6 |
T3 |
T6 |
|||||||
|
フェーズC |
T5 |
T2 |
T5 |
T2 |
T5 |
|||||||
|
程度 |
60 |
120 |
180 |
240 |
300 |
360 |
60 |
120 |
180 |
240 |
300 |
360 |
|
サイリスタ伝導 |
1 5 6 |
6 1 2 |
1 2 3 |
2 3 4 |
3 4 5 |
4 5 6 |
1 5 6 |
6 1 2 |
1 2 3 |
2 3 4 |
3 4 5 |
4 5 6 |
この動作では、出力サイリスタの転流と入力サイリスタの導通の間の時間ギャップはゼロです。したがって、入力サイリスタと出力サイリスタの同時導通が可能です。その結果、ソースが短絡します。この問題を回避するために、120度の動作モードが使用されます。
B）120度モード
この操作では、一度に2つのサイリスタのみが実行します。サイリスタの相の1つは、正の端子にも負の端子にも接続されていません。各サイリスタの導通時間は120度です。線間電圧の形状は3段波形で、相電圧の形状は準方形波です。
|
フェーズA |
T1 |
T4 |
T1 |
T4 |
||||||||
|
フェーズB |
T6 |
T3 |
T6 |
T3 |
T6 |
|||||||
|
フェーズC |
T2 |
T5 |
T2 |
T5 |
||||||||
|
程度 |
60 |
120 |
180 |
240 |
300 |
360 |
60 |
120 |
180 |
240 |
300 |
360 |
|
サイリスタ伝導 |
1 6 |
2 1 |
3 2 |
3 4 |
4 5 |
6 5 |
1 6 |
2 1 |
3 2 |
3 4 |
4 5 |
5 6 |
サイリスタの線間電圧、相電圧、ゲートパルスの波形は上図のようになります。
パワーエレクトロニクススイッチには、2種類の損失があります。導通損失とスイッチング損失。導通損失はスイッチの オン状態損失 を意味し、スイッチング損失はスイッチのオフ状態損失を意味します。一般に、伝導損失は、ほとんどの動作でスイッチング損失よりも大きくなります。
1回の60度操作で180度モードを考えると、3つのスイッチが開いており、3つのスイッチが閉じています。平均総損失は、導通損失の3倍にスイッチング損失の3倍を加えたものに等しくなります。
180度の総損失= 3（コンダクタンス損失）+ 3（スイッチング損失）
1回の60度操作で120度モードを検討すると、2つのスイッチが開いており、残りの4つのスイッチは閉じています。平均総損失は、コンダクタンス損失の2倍にスイッチング損失の4倍を加えたものに等しくなります。
120度での総損失= 2（コンダクタンス損失）+ 4（スイッチング損失）
（IV）制御技術による分類
- シングルパルス幅変調（シングルPWM）
- マルチパルス幅変調（MPWM）
- 正弦波パルス幅変調（SPWM）
- 修正正弦波パルス幅変調（MSPWM）
インバータの出力は方形波信号であり、この信号は負荷には使用されません。パルス幅変調（PWM）技術は、AC出力電圧を制御するために使用されます。この制御は、スイッチのオンとオフの期間を制御することによって得られます。PWM技術では、2つの信号が使用されます。1つは基準信号で、もう1つは三角搬送波信号です。スイッチのゲートパルスは、これら2つの信号を比較することによって生成されます。PWM技術にはさまざまな種類があります。
1）シングルパルス幅変調（シングルPWM）
半サイクルごとに、この制御技術で使用できるパルスは1つだけです。基準信号は方形波信号であり、搬送波信号は三角波信号です。スイッチのゲートパルスは、基準信号とキャリア信号を比較することによって生成されます。出力電圧の周波数は、基準信号の周波数によって制御されます。基準信号の振幅がArで、搬送波信号の振幅がAcである場合、変調指数はAr / Acとして定義できます。この手法の主な欠点は、高調波成分です。
2）複数のパルス幅変調（MPWM）
単一パルス幅変調技術の欠点は、複数のPWMによって解決されます。この手法では、1つのパルスの代わりに、出力電圧の各半サイクルで複数のパルスが使用されます。ゲートは、基準信号とキャリア信号を比較することによって生成されます。出力周波数は、キャリア信号の周波数を制御することによって制御されます。変調指数は、出力電圧を制御するために使用されます。
半サイクルあたりのパルス数= fc /（2 * f0）
ここで、fc =キャリア信号の周波数
f0 =出力信号の周波数
3）正弦波パルス幅変調（SPWM）
この制御技術は、産業用アプリケーションで広く使用されています。上記の両方の方法で、基準信号は方形波信号です。ただし、この方法では、基準信号は正弦波信号です。スイッチのゲートパルスは、正弦波の基準信号を三角波の搬送波と比較することによって生成されます。各パルスの幅は、正弦波の振幅の変化に応じて変化します。出力波形の周波数は基準信号の周波数と同じです。出力電圧は正弦波であり、RMS電圧は変調指数によって制御できます。波形は下図のようになります。
4）修正正弦波パルス幅変調（MSPWM）
正弦波の特性により、SPWM技術の変調指数の変化に伴って波のパルス幅を変更することはできません。そのため、MSPWN技術が導入されています。この手法では、キャリア信号は、各半サイクルの最初と最後の60度の間隔で適用されます。このようにして、その高調波特性が改善されます。この手法の主な利点は、基本コンポーネントの増加、スイッチングパワーデバイスの数の減少、およびスイッチング損失の減少です。波形は下図のようになります。
（V）出力のレベル数に応じて
- 通常の2レベルインバーター
- マルチレベルインバーター
1）通常の2レベルインバーター
これらのインバーターの出力には、正のピーク電圧と負のピーク電圧の電圧レベルしかありません。ゼロ電圧レベルを持つことは、2レベルインバーターとしても知られています。
2）マルチレベルインバーター
これらのインバーターは、出力に複数の電圧レベルを持つことができます。マルチレベルインバータは4つの部分に分かれています。
-フライングコンデンサインバータ
-ダイオードクランプインバータ
-ハイブリッドインバーター
-カスケードH型インバーター
すべてのインバーターには独自の動作設計があります。ここでは、これらのインバーターについて簡単に説明し、基本的な考え方を説明しました。