Omvormers Begrijpen: Complete Gids voor Elektrotechniek en Electronica Studenten

Inleiding:

In dit artikel leggen we uit wat een omvormer (inverter) is, wat zijn functie is en wat het werkingsprincipe is. Je vindt omvormers in fotovoltaïsche systemen om wisselstroom voor huizen en kantoren te leveren. Je vindt ze ook in „variabele frequentie aandrijvingen” om de snelheid, koppel en draairichting van AC-asynchrone motoren in ventilatoren, pompen en compressoren te regelen.

Wat is een Omvormer?

Laten we bij de basis beginnen. Je kent waarschijnlijk de twee typen elektriciteit: gelijkstroom (DC) en wisselstroom (AC). Gelijkstroom wordt gebruikt voor zaklampen, zonnepanelen, batterijen en kleine elektronica met printplaten. Maar voor grote huishoudelijke apparaten werkt elektriciteit anders. De voeding uit je stopcontact is gebaseerd op wisselstroom (AC) en stuurt je huis. Beide typen hebben hun beperkingen, dus we converteren vaak de ene vorm naar de andere om ze optimaal te benutten.

Een omvormer is een apparaat dat dat voor je doet: DC omzetten naar AC. Met een oscilloscoop kun je het signaal van beide typen bekijken. DC geeft een stroom die in één richting vloeit met maximale spanning: één continue rechte lijn. Bij AC zie je een sinusvormig patroon met de spanning die alterneert tussen piekpositief en pieknegatief in één cyclus. De stroom beweegt eigenlijk „heen en weer”.

Werking van een Omvormer

Om de werking te begrijpen, overweeg een schakeling waar een DC-bron een AC-apparaat voedt. Om DC naar AC te converteren, zijn er vier schakelaars. De schakelaars zijn gepaard zodanig dat wanneer schakelaar 1 en 4 dichtgaan, schakelaar 2 en 3 open gaan, en vice versa. De last ervaart dus een wisselstroom, hoewel hij aan een DC-bron is verbonden.

Wanneer één paar schakelaars open is, stroomt de stroom door de rechterkant van het AC-apparaat. Wanneer het andere paar open is, stroomt de stroom door de linkerkant. Zo ervaart het apparaat een wisselstroom.

Het apparaat ervaart geen sinusgolf; de plotselinge schakeling resulteert in een blokgolf. Deze golf kan het elektrische apparaat beschadigen en moet daarom worden gladgemaakt. Hiervoor gebruiken ingenieurs componenten als diodes, IGBT's en MOSFET's.

Gebruik van IGBT's in Omvormers

Een IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) is een driedraads halfgeleidercomponent. Overweeg de onderstaande schakeling voor een motor.

Er is een DC-bron, een AC-last, en een aantal IGBT's verbonden met een controller. Elke IGBT ontvangt een signaal van de controller wanneer hij moet openen en sluiten. De IGBT's zijn gepaard.

Wanneer de schakeling wordt gevoed, schakelt de controller een paar IGBT's om stroom door te laten gedurende een beperkte tijd, zodat de motor een wisselstroom ervaart.

Gebruik van Omvormers om Motortempo te Regelen

IGBT's openen en sluiten in een pulserende manier meerdere keren per cyclus, ook wel pulsbreedtemodulatie (PWM) genoemd. De cyclus wordt opgedeeld in kleinere segmenten en de controller vertelt de IGBT's hoe lang ze per segment dicht moeten blijven. Op deze manier laten de IGBT's variabele hoeveelheden stroom door de motor vloeien.

Als resultaat resulteert het gemiddelde vermogen per segment in een sinusgolfpatroon. Hoe meer we de cyclus in kleinere segmenten opdelen, hoe gladder de sinusgolf. De motor ervaart dus een sinusvormige wisselstroom.

De controller kan vervolgens de tijd regelen dat een bepaalde IGBT open is, wat de frequentie en golflengte van het signaal regelt, wat de motortempo, koppel en richting controleert.

Toepassingen van Omvormers

Omvormers hebben veel toepassingen:

• Van kleine autoadapters tot kantoor-, huishoudelijke toepassingen en grootschalige netsystemen.
• Algemene toepassing in fotovoltaïsche systemen.
• Geïntegreerd in Variabele Frequentie Aandrijvingen voor snelheids-, koppel- en richtingscontrole van AC-motoren.
• In HVAC-systemen voor industriële en commerciële gebouwen.
• Als UPS (Onderbroken Stroomvoorziening).
• In zonne-energiesystemen.
• In centrifuge ventilatoren, mengers, pompen, transportbanden, extruders, enz.