Inversor

Um inversor é um dispositivo eletrônico de potência para gerar tensões e correntes alternadas a partir de uma fonte de energia elétrica de diferentes tensões ou frequências. Esta é a função reversa de um retificador .

Descrição

Um inversor é um dispositivo eletrônico de potência que pode gerar qualquer forma de corrente incluindo, por exemplo, corrente alternada, de corrente contínua.

Um inversor híbrido permite que você forneça corrente alternada ou corrente contínua de uma fonte de corrente. Isso é particularmente útil com painéis solares que fornecem eletricidade quando ela nem sempre é necessária e devem ser armazenados em baterias, por exemplo. Esta corrente contínua deve então ser convertida em corrente alternada para uso.

Um microinversor permite, em um pequeno espaço, converter uma tensão contínua em corrente alternada. São até 1000  W , ou até mais, a partir de uma tensão de 12  V , resistente a temperaturas de 65  ° C , resfriada por convecção de ar natural e cuja eficiência chega a 95,7  % .

Princípio

Os inversores são baseados em uma estrutura de ponte H , na maioria das vezes composta de chaves eletrônicas, como IGBTs , transistores de potência ou tiristores . Por um conjunto de chaves apropriadamente controladas (geralmente modulação por largura de pulso ), a fonte é modulada para obter um sinal AC da freqüência desejada.

Existem diferentes tipos de inversores:

Inversores autônomos Um inversor autônomo fornece tensão com uma frequência que é fixa ou ajustável pelo usuário. Nem sempre é necessária uma rede elétrica para funcionar; por exemplo, um conversor de viagem que é plugado na tomada de isqueiro de um carro usa os 12  V DC do veículo para gerar 120 ou 230  V , alternando a 50 ou 60  Hz . Estes inversores são usados ​​principalmente para a recepção de TV em modo nômade (receptor de satélite em um motorhome, por exemplo) sem uma entrada de alimentação de baixa tensão (~ 12  V ). Inversores não autônomos Um inversor não autônomo é um conjunto retificador totalmente tiristorizado ( ponte de Graetz ) que, em comutação natural assistida pela rede à qual está conectado, permite o funcionamento como inversor (por exemplo, recuperando energia durante os períodos de frenagem no motor elétrico ) . Com base no desenvolvimento de acionamentos estáticos de velocidade variável para motores de corrente contínua e alternada, cicloconversores , inversores de corrente para máquinas síncronas e assíncronas , até potências de vários MW, este tipo de montagem é gradativamente suplantado, em favor de conversores para IGBT ou GTO .

Inversores híbridos ou inteligentes

Os inversores híbridos ou inteligentes são uma nova geração dedicada às aplicações de energias renováveis ​​para consumo doméstico, principalmente para energia solar fotovoltaica ( inversor solar ). A energia dos painéis solares fotovoltaicos só está ativa durante o dia e principalmente quando o Sol está no auge  : portanto, é flutuante e não sincronizada com o consumo das residências. Portanto, é necessário:

História

David Prince provavelmente seria o inventor do termo “inversor”. Na verdade, em um artigo de 1925 chamado "The Inverter". Prince detalha a maioria dos elementos constituintes, bem como o princípio. Originalmente, o termo “inversor” teria sido usado para designar a operação reversa de um retificador (“retificador” em inglês). Assim, o termo "retificação invertida" apareceu pela primeira vez, que foi então transformado em "inversor" para uso.

A partir de 1936, o termo "inversor" foi utilizado em publicações em todo o mundo pela comunidade científica. .

Operação técnica

Existem muitos tipos de conversores, as duas principais categorias de diferenciar são únicos fase inversores de três fase inversores . Ou seja, a primeira categoria permite transformar uma tensão contínua (fornecida por uma bateria ou na saída de um retificador, por exemplo) em uma tensão senoidal . O segundo tipo funciona da mesma maneira, mas em vez de transformar a tensão em um único seno , ele gera três fases deslocadas cada uma entre elas em 120 ° ou radianos.

Inversores monofásicos

Estrutura

Um inversor monofásico convencional é composto por 4 IGBTs cada um com um diodo antiparalelo para garantir a corrente bidirecional (ver figura 1). O inversor deve então ser controlado por meio de um controle PWM adequado para atingir a tensão desejada. A tensão desejada é geralmente fornecida por uma malha de regulação externa de nível superior que, em última análise, possibilitará a geração do PWM . A malha de regulação externa deve, entre outras coisas, ser capaz de fornecer a frequência senoidal desejada e sua amplitude em relação à tensão do barramento CC chamada de índice de modulação. O índice de modulação é mais frequentemente definido como:

com:

Existem inversores com mais interruptores de energia ( IGBTs ) para serem mais flexíveis na tensão gerada. Estes inversores são chamados, em seguida, conversores multinível ( conversor multinível em Inglês, ou MMC na documentação técnica).

Inversores trifásicos

Estrutura

Tal como acontece com os inversores monofásicos, os inversores trifásicos também são compostos por IGBTs . Porém, os mais tradicionais possuem 6 (2 interruptores adicionais por braço do inversor). Essas 6 chaves juntas formam 3 células de comutação que permitirão que a tensão DC seja dividida em uma tensão sinusoidal trifásica balanceada , a fim de fornecer, por exemplo, um motor síncrono ou um motor assíncrono (ver figura 2). Já nos inversores monofásicos, os trifásicos podem ter mais interruptores para ser mais preciso na tensão produzida, mas também para reduzir harmônicos . A principal desvantagem das MMCs é o seu custo, especialmente no caso de produção em larga escala. Com efeito, se o objetivo é produzir veículos elétricos (por exemplo), existe um inversor por veículo. Portanto, é fácil entender que adicionar IGBTs (mesmo que seu custo individual seja baixo) pode ser muito caro para o fabricante e para o usuário.

Controle do inversor

Os inversores são controlados por um controle fortemente não linear. Essa não linearidade se deve à estrutura dos inversores formada por IGBTs que só podem ser controlados no todo ou em nada. Portanto, é necessário que o comando também seja tudo ou nada. O controle mais clássico das chaves do inversor é feito pela comparação de dois sinais. Na verdade, isso força o comando a ser binário (0 ou 1). Os sinais em questão são chamados de modulação e portadora . Sendo a modulação convencionalmente, a tensão de referência dividida pela tensão do barramento com um deslocamento de 0,5, e a portadora é um sinal triangular entre 0 e 1.

O comando é então gerado da seguinte forma: Se o modulante for maior do que a portadora, o comando switch leva 1 e 0, caso contrário. É importante saber que o modulante definido acima não é o único possível e que existe um grande número deles.

A comparação entre um modulante e uma portadora não é a única possibilidade. Existe, entre outros, o SVM (ou vetor de modulação espacial em francês), que constitui o padrão ouro na indústria, pela facilidade de implementação, suas vantagens harmônicas bem como pela extensão de sua zona de linearidade em 15% (mais exatamente, o índice de modulação máximo é agora igual a ), em relação à portadora triangular PWM descrita acima.

Técnicas usuais

Muitas técnicas de controle foram desenvolvidas ao longo do tempo, suas diferenças, vantagens e desvantagens residem nestes poucos pontos:

O resto das técnicas descritas referem-se apenas a inversores de 2 níveis de 3 braços e inversores monofásicos de 2 níveis. Pedidos de inversores de nível adicional mudam de nome e categoria para serem chamados de conversores de nível múltiplo . Devido à sua imensa diversidade, não há questão de falar sobre a ordem destes aqui.

Modulação sinusoidal (SPWM)

No método mais convencional, o sinal de referência normalizado pela fonte de tensão DC é comparado a uma portadora triangular para gerar o comando das células de chaveamento . Este método raramente é usado na indústria por causa de sua qualidade e eficiência harmônicas muito pobres. SVM ou injeção harmônica de 3ª ordem é geralmente preferida.

Injeção harmônica de 3ª ordem (THIPWM)

Comparamos o sinal de referência normalizado ao qual adicionamos um terceiro harmônico de amplitude 1/6 ou 1/4. Este novo sinal é então comparado a uma portadora triangular para gerar o controle das células de comutação . Ressalta-se que é imprescindível que a frequência dos harmônicos assim agregados seja da ordem 3 (ou múltiplos de 3), de forma a manter a simetria entre as fases do inversor. De fato, assim, a soma dos três senos que compõem o sinal permanece matematicamente igual a 0.

Modulação vetorial espacial (SVM)

Não se trata mais de comparar um sinal com uma portadora triangular, mas de produzir um vetor no plano complexo graças à relação de Chasles com os vetores que podem ser produzidos pelo inversor. Embora essa estratégia seja de origem vetorial, é fácil reduzi-la a um método baseado em uma portadora triangular, calculando a mediana do sinal trifásico.

Modulação aleatória (RPWM)

A portadora triangular não tem mais uma frequência constante durante um período. Isso degradará o espectro harmônico , mas melhorará consideravelmente a impressão de ruído (e não o ruído realmente produzido!). Embora a potência das ondas acústicas seja a mesma, este método dá a impressão de um fluxo de areia fina.

Modulação descontínua (DPWM)

Este também é um método de injeção de harmônicas ou injeção de tensão de modo comum, cujo objetivo é congelar periodicamente uma célula de chaveamento para reduzir perdas no inversor. As estratégias DPWM mais conhecidas são DPWM1, DPWM2, DPWM3, DPWMMin, bem como DPWMMax

Técnicas avançadas Técnicas offline

As chamadas estratégias off-line (padrão de pulso ideal em inglês) assumem que todo o comando é uma caixa preta e, dependendo da tensão e da frequência de entrada desejada, um microprocessador lerá uma tabela. Comutando ângulos para obter o controle desejado tão eficazmente quanto possível. Os ângulos de comutação são calculados de antemão usando métodos de otimização.

Técnicas online

Essas estratégias são conhecidas automaticamente e consistem, a partir do conhecimento do sistema a ser comandado, em gerar um PWM. Dentre esses comandos, encontra-se, entre outros, o comando preditivo.

Formulários

O inversor é um dos conjuntos mais difundidos de eletrônica de potência; tem vários aplicativos:

  • as fontes de alimentação de reserva  ;
  • as fontes de alimentação ininterruptas  ;
  • a ligação de painéis solares à rede elétrica  ;
  • os muitos dispositivos que precisam operar em uma frequência específica:
    • geradores de ultrassom ou eletricidade usados ​​na área médica,
    • o fornecimento das chamadas lâmpadas de cátodo frio para iluminação de fundo de telas de cristal líquido,
  • os acionamentos de velocidade variável de máquinas alternativas: a tensão da rede elétrica é retificada e um inversor produz uma tensão cuja freqüência e forma são ajustáveis;
  • os conversores de voltagem continuaram / continuam a cortar  : a voltagem DC é onda de alta frequência primeiro (algumas dezenas ou centenas de kHz) e então aplicada a um transformador de ferrita e finalmente recuperada;
  • no campo da soldagem a arco, os inversores às vezes são chamados de inversores , de acordo com a terminologia inglesa. Os inversores nas subestações de arco irão gerar uma corrente alternada monofásica em média frequência (entre 5 e 20  kHz ), o que permite a utilização de transformadores elevadores significativamente menores e mais leves do que aqueles tradicionalmente empregados na frequência de rede, seja 50 ou 60  Hz . Essas máquinas são caracterizadas por uma relação peso / potência baixa, uma mudança de fase muito baixa (cosseno phi) e uma boa adequação em um ambiente hostil (condições do local, fonte de alimentação flutuante por grupo gerador, temperaturas baixas ou altas,  etc. );
  • no domínio da recepção móvel terrestre para o público em geral, os inversores (12  V > 230  V ) permitem, por exemplo, a ligação de um aparelho de televisão à tomada de isqueiro de um automóvel ou camião;
  • no campo dos veículos elétricos e híbridos, o inversor transforma a tensão da bateria DC em tensão senoidal, admissível por máquinas síncronas e assíncronas .

Fonte de energia ininterrupta

O inversor também é um componente de fontes de alimentação ininterrupta (UPS). Na linguagem comum, o termo “inversor” é, além disso, freqüentemente usado para designar uma fonte de alimentação, por exemplo, como uma fonte de alimentação de segurança para computadores.

Notas e referências

Notas

  1. Uma corrente de 100  A é então necessária ao nível da bateria e dos condutores.
  2. meio-dia solar, ou 2  da tarde na França continental no verão.

Referências

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Veja também

Artigos relacionados

links externos