Μια πολύ μεγάλη κατηγορία μετατροπέων τάσης είναι οι
μετατροπείς συνεχούς σε εναλλασσόμενη τάση (DC-AC converters).
Οι μετατροπείς συνεχούς σε εναλλασσόμενη τάση
χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες:
Στους Μετατροπείς Τετραγώνου, στους Μετατροπείς
Τροποποιημένου Ημίτονου και στους Μετατροπείς Καθαρού Ημίτονου.
Η διαφορά έχει να κάνει με την μορφή που έχει η
εναλλασσόμενη τάση στην έξοδο του μετατροπέα.
Μετατροπείς
Τετραγώνου.
Σχεδόν όλοι θα έχουμε συναντήσει κάποιο σύστημα
αδιάλειπτης τροφοδοσία (UPS) σε κάποιον υπολογιστή. Τα UPS δεν είναι κάτι άλλο
από μετατροπείς συνεχούς σε εναλλασσόμενη τάση. Όταν για κάποιο λόγο υπάρχει
διακοπή ρεύματος μία μπαταρία εξασφαλίζει την απαιτούμενη ισχύ στον μετατροπέα,
και αυτός παράγει μία εναλλασσόμενη τάση για την τροφοδοσία του υπολογιστή. Τα
περισσότερα φτηνά UPS ανήκουν στην κατηγορία των Μετατροπέων Τετραγώνου.
Η έξοδος ενός Μετατροπέα Τετραγώνου είναι ένας
τετραγωνικός παλμός συχνότητας των 50 Hz (όσο και η συχνότητα του δικτύου της
ΔΕΗ).
Στην παρακάτω εικόνα βλέπουμε με πράσινο χρώμα την
έξοδο ενός τέτοιου μετατροπέα συχνότητας 50 Hz (περίοδος 1/50 sec=20 msec). Με
μπλε χρώμα βλέπουμε ένα καθαρό ημίτονο. Συγκριτικά με το καθαρό ημίτονο, ο
τετραγωνικός παλμός δεν μοιάζουν, τόσο πολύ.
Με έναν τέτοιο μετατροπέα δεν μπορούμε να
τροφοδοτούμε όλες τις συσκευές. Μπορούμε
να τροφοδοτήσουμε λάμπες πυρακτώσεως και τις περισσότερες συσκευές που
χρησιμοποιούν παλμοτροφοδοτικά (υπολογιστές, τηλεοράσεις κτλ). Δεν μπορούμε να
τροφοδοτήσουμε συσκευές που χρησιμοποιούν μετασχηματιστή για τον υποβιβασμό
τάσης, κινητήρες, συσκευές που τα παλμοτροφοδοτικά του έχουν κάποιο “εξωτικό”
σύστημα διόρθωσης του συντελεστή ισχύος. Γενικά με έναν τέτοιο μετατροπέα δεν
θέλουμε να τροφοδοτούμε επαγωγικά φορτία και ευαίσθητα όργανα. Οι μετατροπείς
τετραγώνου έχουν μεγάλη αρμονική παραμόρφωση.
Μετατροπείς
Τροποποιημένου Ημίτονου.
Επειδή όπως είδαμε ο τετραγωνικός παλμός δεν
μοιάζει τόσο πολύ με το καθαρό ημίτονο, έχουμε και την κατηγορία μετατροπέων
τροποποιημένου ημίτονου.
Στην παρακάτω εικόνα βλέπουμε με πράσινο χρώμα πως
θα είναι η έξοδος ενός τέτοιου μετατροπέα συχνότητας 50 Hz (περίοδος 20 msec).
Με μπλε χρώμα βλέπουμε ένα καθαρό ημίτονο. Συγκριτικά με το τετραγωνικό παλμό,
το τροποποιημένο ημίτονο μοιάζει περισσότερο με το καθαρό ημίτονο. Αυτό έχει ως
αποτέλεσμα μικρότερη αρμονική παραμόρφωση.
Όσον αφορά την τροφοδοσία συσκευών, ισχύουν
πάνω κάτω ότι και για τους μετατροπείς τετραγώνου. Έχουμε όμως καλύτερη
απόδοση και συμπεριφορά. Επίσης οι περισσότεροι κινητήρες μπορούν να να
λειτουργήσουν με τροποποιημένο ημίτονο, με μειωμένη ισχύ όμως (περίπου 20%). Η
λειτουργία τους όμως μπορεί να είναι θορυβώδεις λόγω της αρμονικής
παραμόρφωσης. Συνήθως χρησιμοποιείται και κάποιο φίλτρο πηνίου-πυκνωτή που
βοηθά.
Μετατροπείς
Καθαρού Ημίτονου.
Οι μετατροπείς καθαρού ημίτονου, όπως φανερώνει
και οι ονομασία τους παράγουν στην έξοδο καθαρό ημίτονο των 50 Hz. Όπως και η
Δ.Ε.Η. στην πρίζα του καταναλωτή. Είναι ανώτερος των άλλων δύο και μπορεί να
τροφοδοτήσει οποιαδήποτε ηλεκτρική συσκευή μπαίνει σε πρίζα της Δ.Ε.Η. Η
κατασκευή του είναι γενικά ποιο περίπλοκη από των άλλων δύο, και κοστίζει
περισσότερο.
Αρχή
λειτουργίας των DC-AC μετατροπέων.
Και οι τρεις κατηγορίες μετατροπέων που είδαμε,
όταν χρησιμοποιούν μετασχηματιστή για την ανύψωση της τάσης, βασίζονται στην
ίδια αρχή λειτουργίας. Παρακάτω βλέπουμε ένα απλό κύκλωμα ενός μετασχηματιστή
με μια μπαταρία και έναν διακόπτη.
Ο μετασχηματιστή έχει πρωτεύον με μεσαία λήψη. Στην μεσαία
λήψη συνδέεται ο θετικός πόλος της μπαταρίας. Κάθε φορά που μετατίθεται ο
διακόπτης η μπαταρία τροφοδοτεί το μισό τύλιγμα του πρωτεύοντος. Επειδή ο
αριθμός των σπειρών στο πρωτεύων είναι αρκετά μικρότερος από το δευτερεύον,
έχουμε παραγωγή υψηλής τάσης στην έξοδο. Κάθε φορά που αλλάζει θέση ο διακόπτης
αλλάζει και η φορά του μαγνητικού πεδίου στον μετασχηματιστή. Άρα θα αλλάζει
και η φορά της τάσης στην έξοδο (στο δευτερεύον). Έτσι και το μαγνητικό κύκλωμα
γίνεται ποιο αποδοτικό, και έχουμε και συμμετρικές αρνητικές και θετικές τιμές
στην έξοδο. Ελέγχοντας τον ρυθμό που αλλάζει θέση ο διακόπτης ελέγχουμε και την
μορφή της εξόδου. Στην πράξη ο διακόπτης αποτελείται από MOSFET (τύπου Ν
συνήθως), όπως στην παρακάτω εικόνα.
Ελέγχοντας τον ρυθμό που ανοιγοκλείνουν τα MOSFET, την τάση
που οδηγεί τις πύλες τους δηλαδή, ελέγχουμε και την μορφή που θα έχει η έξοδος.
Αν απλά ανοιγοκλείνουν τα MOSFET εναλλάξ με διάρκειa 10 mesc το καθένα, στην
έξοδο θα πάρουμε τετραγωνικό παλμό των 50 Hz. Θα έχουμε έναν μετατροπέα
τετραγώνου. Ελέγχοντας τις πύλες των MOSFET με έναν μικροελεγκτή μπορούμε να
κατασκευάσουμε και τις άλλες δύο κατηγορίες. Ειδικά για τον
μετατροπέα καθαρού ημίτονου χρησιμοποιούμε PWM ημιτονικά διαμορφωμένη. Στην
περίπτωση του καθαρού ημίτονου πρέπει να συνδεθούν παράλληλα πυκνωτές. Οι
πυκνωτές σε συνδυασμό με την αυτεπαγωγή του δευτερεύοντος δημιουργούν ένα
φίλτρο για την PWM και αναδεικνύουν το καθαρό ημίτονο.
Η τοπολογία με τους δύο ηλεκτρονικούς διακόπτες ονομάζεται
και Half-Bridge. Ένας άλλος τρόπος ελέγχου του πρωτεύοντος, που δεν χρειάζεται
να είναι μεσαίας λήψης, είναι με συνδεσμολογία Full-Bridge (παρακάτω εικόνα). Η
συνδεσμολογία αυτή απαιτεί 4 ηλεκτρονικούς διακόπτες (MOSFET) για να
αντιστρέφει το μαγνητικό πεδίο στο πρωτεύον του μετασχηματιστή.
Τα MOSFET ενεργοποιούνται ανά ζεύγη. Στην
παραπάνω περίπτωση το Q1 με το Q3 και το Q2 με το Q4. Έτσι αλλάζει η πολικότητα
στο πρωτεύον και αντιστρέφεται συνεχώς το μαγνητικό πεδίο.
Στο παρακάτω σχέδιο βλέπουμε έναν απλό,
και πρόχειρα σχεδιασμένο DC-AC μετατροπέα που μπορεί να παράγει και τις τρεις
κυματομορφές. Το κύκλωμα χρησιμοποιεί για την παραγωγή των κυματομορφών έναν
μικροελεγκτή AVR της Atmel. Τον ATtiny2313. Με το πάτημα ενός μπουτόν αλλάζει
και το είδος του μετατροπέα. Τον κώδικα μπορείτε να τον κατεβάσετε από ΕΔΩ. Στο δευτερεύον
του μετασχηματιστή παρατηρούμε και τους πυκνωτές που χρησιμοποιούμε για το
φιλτράρισμα της PWM στην λειτουργία καθαρού ημίτονου. Τους πυκνωτές μπορούμε να
τους βγάζουμε εκτός κυκλώματος (για τις άλλες δύο λειτουργίες) με έναν απλό
διακόπτη (SW1).
Εφαρμογές
Α. Μετατροπείς Τάσης ( Inverter ) Τηλεπικοινωνιακών
εφαρμογών
Καθώς τα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα συνεχώς επεκτείνονται
κρίσιμο στοιχείο για την αδιάλειπτη λειτουργία τους είναι η υποστήριξη των
διάφορων φορτίων εναλλασσόμενου ρεύματος από συστοιχίες συσσωρευτών μέσω
μετατροπέα τάσης κατάλληλου για τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές.
Β. Μετατροπείς Τάσης ( Inverter )
Φωτοβολταικών εφαρμογών
Ο μετατροπέας τάσης μετατρέπει το συνεχές
ρεύμα που παράγουν τα Φ/Β πανέλα μιας εγκατάστασης σε εναλλασσόμενο ρεύμα. Αυτό
προσφέρει τη δυνατότητα τροφοδότησης της αυτοπαραγόμενης ηλιακής ενέργειας στο
δημόσιο δίκτυο ηλεκτρικού ρεύματος.
