Tym razem temat bieżącego artykułu jest pochodną pytania znajomego Guru na temat UPS do kotła gazowego i laptopa, który przy pracy zdalnej jest podstawowym narzędziem w Rodzinie. Moje skromne opinie na temat zakupu UPSa firmy Fideltronik KR6000LPLUS zostały przebite ofertą Volt Polska, której cena wyniosła ¼ ceny Fideltronika, co zostało zauważone z nutą pobłażliwości w stosunku do moich kompetencji elektronicznych. W zaistniałej sytuacji zmuszony zostałem rzucić okiem fachowca na dostępne konstrukcje w dziedzinie urządzeń podtrzymujących zasilanie w skrócie znanych jako UPS - Uninterruptible Power Supply. Zaczynając od historii zasilania elektrycznego, można stwierdzić, że transmisja elektryczna na duże odległości faworyzuje zasilanie prądem przemiennym, ponieważ napięcie można łatwo zwiększyć za pomocą transformatorów. Zwiększając napięcie, potrzeba mniej prądu, aby dostarczyć określoną ilość mocy do obciążenia, zmniejszając straty rezystancyjne w przewodach. Przyjęcie zasilania prądem przemiennym stworzyło trend, w którym większość urządzeń przystosowuje zasilanie prądem przemiennym z gniazdka do zasilania urządzenia użytkowego prądem stałym. Jednak zasilanie prądem zmiennym nie zawsze jest dostępne, a potrzeba mobilności i prostoty dała akumulatorom przewagę w zakresie zasilania przenośnego. Dlatego do przenośnego zasilania prądem przemiennym potrzebne są falowniki. Falowniki pobierają napięcie prądu stałego z akumulatora lub panelu słonecznego jako wejście i przekształcają je w napięcie wyjściowe prądu przemiennego.
Na rynku dostępne są trzy typy falowników DC/AC, które są klasyfikowane według typu wyjścia: fala prostokątna, zmodyfikowana fala sinusoidalna i czysta fala sinusoidalna. Gotowe falowniki mają zazwyczaj falę prostokątną lub zmodyfikowaną falę sinusoidalną. Tego typu falowniki są tańsze w produkcji, a wyjście, chociaż dostarcza takie samo średnie napięcie do obciążenia, nie jest odpowiednie dla delikatnych urządzeń elektronicznych, które opierają się na precyzyjnym taktowaniu. Falowniki z czystą falą sinusoidalną oferują większą dokładność i mniej niewykorzystanej energii harmonicznych dostarczanej do obciążenia, ale są bardziej złożone w konstrukcji i droższe. Dodatkowo falowniki z czystą falą sinusoidalną będą zasilać urządzenia z większą dokładnością, mniejszymi stratami mocy i mniejszym wytwarzaniem ciepła.
Standardem falownika z odtworzeniem napięcia sinusoidalnego (tzw. True sine wave) jest układ z kluczowaniem napięcia stałego w obwodzie mostka typu H (H-bridge) , który wytwarza impulsowe napięcie, wygładzane następnie w obwodzie dławików, do postaci czystej sinusoidy. Jeśli to napięcie musi zostać wzmocnione to przed stopniem AC stosuje się konwertera wzmacniającego DC-DC, lub po stopniu AC występuje transformatora wzmacniający. Przekształcony sygnał składa się z sygnału o modulowanej szerokości impulsu (PWM), który koduje falę sinusoidalną. Cykl pracy wyjścia zmienia się tak, że przesyłana moc jest dokładnie taka, jak fali sinusoidalnej. To wyjście może być używane bez zmian lub, alternatywnie, może być łatwo przefiltrowane do czystej fali sinusoidalnej. Topologie falownika H-Bridge (zarówno unipolarne, jak i bipolarne) składają się z przełączników energoelektronicznych, które są zasilane impulsami o stałej amplitudzie ze zmiennym cyklem pracy w każdym okresie. Impulsy SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation ) są generowane przez porównanie dwóch fal – fali nośnej, która jest w tym przypadku trójkątna, oraz modulującej fali odniesienia o częstotliwości zadanej, w tym przypadku sinusoidalnej. Ten falownik z modulacją szerokości impulsu charakteryzuje się prostym obwodem i wytrzymałym schematem sterowania, w celu uzyskania sterowania napięciem wyjściowym falownika i zmniejszenia jego zawartości harmonicznych. Technika UPS znalazła nowe zastosowanie w erze odnawialnych źródeł energii, a konkretnie w zastosowaniach do przetwarzania energii elektrycznej DC generowanej przez zestawy paneli fotowoltaicznych. Dlatego stan techniki w dziedzinie konwersji energii elektryczne DC/AC rozpoczyna opis patentu z tej dziedziny, który w prawdzie dotyczy falownika przetwarzającego napięcie DC z paneli fotowoltaicznych, ale zasadniczo odnosi się do sposoby przekształcania energii DC/AC znanego w urządzeniach UPS. W fotowoltaicznym systemie wytwarzania energii podłączonym do sieci falownik jest kluczowym urządzeniem, a sprawność konwersji i wydajność falownika bezpośrednio determinują zysk systemu wytwarzania energii. Aby obniżyć koszty falownika, w większości obecnych falowników stosuje się nieizolowaną architekturę dwustopniowego układu konwersji energii fotowoltaicznej do postaci napięcia sieciowego AC. Jednak w jednofazowym systemie sieci energetycznej jeden koniec sieci energetycznej jest zwykle uziemiony na odległym końcu przez linię przesyłową. W tym przypadku panel fotowoltaiczny, falownik i sieć energetyczna tworzą przelotową pętlę prądową przez ziemię. Ta pętla powoduje poważny problem z prądem upływowym. Ten prąd upływowy nie tylko powoduje problemy związane z bezpieczeństwem osobistym, ale także zwiększa straty na falowniku i zmniejsza wydajność konwersji falownika
PL229067 Układ przekształtnika DC/DC/AC, Spirvent Sp zo.o., Marcin Lis, Data patentu:29.06.2018. Przedmiotem wynalazku jest układ przekształtnika DC/DC/AC, przekształcającego energię z Odnawialnych Źródeł Energii (OZE), w szczególności z paneli fotowoltaicznych, które wykazują pojemności pasożytnicze, do jednofazowej sieci elektroenergetycznej.
Przykładowe realizacje wynalazku przedstawiono na rysunku, na którym fig.1 przedstawia uproszczony model przekształtnika DC/DC/AC znany ze stanu techniki, fig.2 przedstawia schemat blokowy układu przekształtnika DC/DC/AC według wynalazku, fig.3 przedstawia przebieg szumu w układzie, fig.4 przedstawia przebieg prądu upływu w układzie ze stanu techniki dla pierwszego przypadku paneli fotowoltaicznych, fig.5 przedstawia przebieg prądu upływu w układzie ze stanu techniki dla drugiego przypadku paneli fotowoltaicznych, fig.6 przedstawia przebieg prądu upływu w układzie według wynalazku dla pierwszego przypadku paneli fotowoltaicznych, natomiast fig. przedstawia przebieg prądu upływu w układzie według wynalazku dla drugiego przypadku paneli fotowoltaicznych.
Schemat blokowy układu przekształtnika DC/DC/AC według wynalazku przedstawiono na fig. 2, na którym kolejne odnośniki numeryczne oznaczają: 1 – Odnawialne Źródło Energii, np. panele fotowoltaiczne, o nieregulowanym napięciu DC, z zakresu 25–400 V, 2 – Filtr wejściowy EMC, 3 – Klasyczna przetwornica typu boost, regulująca na stałym poziomie napięcie z OZE 1 do DC-Link 4, 4 – DC-Link, duży kondensator/superkondensator/akumulator magazynujący ładunek, 5 – Mostek tranzystorowy na przykład w postaci H-bridge, 6 – Filtr dolnoprzepustowy realizowany za pomocą dużej cewki sprzężonej magnetycznie, 7 – Filtr wyjściowy EMC, 8 – Jednofazowe przyłącze sieciowe 230 Vac, 50 Hz, 9– uproszczony model pojemności paneli fotowoltaicznych, 10 – Procesor DSP z peryferiami, nadzorujący pracę przekształtnika (realizacja pomiarów, moduł MPPT, moduł PLL, sterowanie, komunikacja, archiwizacja danych).
Odnawialne Źródło Energii 1 generuje nieregulowane napięcie DC. Napięcie to jest przekształcane przez przetwornicę 3 i stabilizowane na linii DC-Link 4. Wykorzystując właściwości filtru dolnoprzepustowego 6 mostek tranzystorowy 5 generuje impulsy napięcia wymuszające przepływ prądu. Filtr 6 pozwala kształtować prąd za pomocą odpowiednich algorytmów sterowania. Wygenerowany w ten sposób prąd jest oddawany do jednofazowego przyłącza sieciowego 8. Całą pracę przekształtnika DC/DC/AC nadzoruje procesor DSP 10, który zbiera pomiary prądów/napięć, wykonuje obliczenia maksymalnego punktu pracy i w taki sposób steruje przetwornicą 3 i mostkiem 5, aby energia przekazywana do sieci 8 z OZE 1 była maksymalna oraz spełniała wszystkie wymagane normy narzucone przez energetykę. Filtr wejściowy EMC 2 i filtry wyjściowy EMC 7 filtrują zakłócenia wysokoczęstotliwościowe przewodowe w celu spełnienia wymaganych norm EMC.
Na szczególną uwagę zasługuje pojemność paneli fotowoltaicznych 9. Panele fotowoltaiczne zajmują dużą powierzchnię. Ta powierzchnia powoduje wystąpienie pojemności względem ziemi, co w rozwiązaniach beztransformatorowych tworzy nową drogę dla wysokoczęstotliwościowego prądu, która jest niekorzystna i stwarza niebezpieczeństwo dla personelu pracującego w okolicy paneli i przekształtnika. Pojemność 9 tą szacuje się na 150–750 pF dla instalacji jednofazowych do mocy 3 kW i zależy silnie od warunków atmosferycznych. Pojemność paneli fotowoltaicznych 9 można przedstawić poprzez szeregowe połączenie pojemności i rezystancji, np. Cleak=330 pF dla pierwszego przypadku paneli fotowoltaicznych, charakteryzujących się układem 10–12 szeregowo połączonych krzemowych paneli mono lub polikrystalicznych o mocy 200–250 W i napięciu 25–35 V każdy, Cleak = 660 pF, Rleak= 1Ω, dla drugiego przypadku paneli fotowoltaicznych, charakteryzujących się układem 20–24 szeregowo połączonych krzemowych paneli mono lub polikrystalicznych o mocy 200–250 W i napięciu 25–35 V każdy.
Istnienie pojemności upływu wynikającej pojemności pomiędzy panelami fotowoltaicznymi a ziemią, rzędu 150–750 pF dla mocy 3 kW, powoduje powstanie co najmniej dwóch dróg, pomiędzy którymi może płynąć tak zwany prąd upływu (ang. residual current; leakage current; ilckg). Przyczyną powstawania tego prądu są zakłócenia na szynie DC. W idealnym przypadku, gdy napięcie na DClink jest stałe, żaden prąd nie płynie (pojemność PV jest traktowana jako przerwa w obwodzie). Jednak gdy napięcie oscyluje na DClink, pojemność stanowi reaktancję, czyli umożliwia przepływ prądu przemiennego. W takim układzie pojawiają się zakłócenia wynikające z kilku czynników. Po pierwsze na DClink pojawiają się tętnienia spowodowane współpracą z siecią jednofazową, wynoszące ok. 100Hz. Za sprawą przełączeń tranzystorów w blokach DC/DC oraz DC/AC generowane są zakłócenia wysokoczęstotliwościowe. O ile składowe wysokoczęstotliwościowe (większe niż 50 kHz) będą eliminowane przez filtr EMC (ang. Electro Magnetic Compatibility), pozostaje problem składowych, które wynikają bezpośrednio z przełączeń oraz z tętnień sieci.
W opatentowanym układzie natomiast, że filtr dolnoprzepustowy 6, w postaci dławika sprzężonego magnetycznie o dużej indukcyjności rozproszenia (np. 2,5 mH), pełni dwie funkcje. Pierwsza to opisane powyżej wprowadzenie indukcyjności jako filtru dolnoprzepustowego do kształtowania prądu oddawanego do przyłącza sieciowego 8. Powstaje ona ze zjawiska indukcyjności rozproszenia, które zazwyczaj jest traktowane jako zjawisko pasożytnicze. Druga funkcja polega na wykorzystaniu sprzężenia magnetycznego do eliminacji prądów chcących płynąć przez pojemność paneli fotowoltaicznych 9. Ponieważ prąd upływu płynie zawsze tylko przez jedno uzwojenie filtra dolnoprzepustowego 6, sprzężenie magnetyczne powoduje wprowadzenie znaczącej indukcyjności w jego tor, tworząc filtr dolnoprzepustowy o bardzo wczesnej częstotliwości odcięcia, skutecznie go eliminując. Rozwiązanie to sprawdza się niezależnie od sposobu sterowania mostkiem tranzystorowym 5 (unipolarnym czy bipolarnym)..
Na fig.3 przedstawiono charakterystykę szumową niepracującego układu, celem uwidocznienia wielkości zakłóceń w samym układzie, odnoszących się do tła. Charakterystyka szumowa pozwoli na porównanie przebiegu prądu upływu w układzie znanego ze stanu techniki z układem według wynalazku. Porównując przebiegi prądu upływu z fig.4 (układ znany ze stanu techniki) i fig.6 (układ według wynalazku), uzyskane dla pierwszego przypadku układu paneli fotowoltaicznych, charakteryzujących się pojemnością upływu Cleak=330 pF, połączoną szeregowo z rezystancją upływu Rleak=1 Ω, widoczna jest znacząca poprawa eliminacji prądu upływu przy wykorzystaniu przekształtnika DC/DC/AC według niniejszego wynalazku.
Układ przetwornika według wynalazku znacząco redukuje prąd upływu zwiększając efektywność prądową całego systemu fotowoltaicznego. Co więcej zastosowanie sprzężonej magnetycznie cewki indukcyjnej pozwoliło nie tylko na eliminację prądu upływu, ale też zapewniło zmniejszoną liczbę elementów składowych przekształtnika DC/DC/AC, co z kolei stanowi rozwiązanie o wyższej trwałości i niezawodności oraz sumarycznie niższym koszcie, w porównaniu do rozwiązań znanych ze stanu techniki. Ponadto, zastosowanie sprzężonej magnetycznie cewki indukcyjnej nie wprowadziło dodatkowych zakłóceń do układu, a zamknięcie układu w obudowie ograniczyło negatywny wpływ generowanego przez cewkę pola magnetycznego na zakłócenia emisyjne.
US20220029555A1 POWER CONVERSION CIRCUIT INVERTER, AND CONTROL METHOD, WANG et al., Data aplikacji:27.01.2022. Aplikacja patentowa przedstawia obwód konwersji mocy AD/AC, który zawiera falownik z hybrydowym sposobem sterowania modulacją, zapewniający zmniejszenie prądu upływu wspólnego instalacji fotowoltaicznej.
FIG.1 przedstawia architekturę systemu zasilania bezprzerwowego (UPS); FIG.2, przedstawia uproszczony schemat blokowy systemu przetwarzania energii prądu stałego panelu fotowoltaicznego w prąd przemienny dostarczany do sieci AC; FIG.3 jest schematem blokowym obwodu konwersji mocy według przykładu wykonania; FIG.4-10 schematy ideowo- strukturalne obwodu konwersji mocy według kolejnych przykładów wykonania; FIG.11 przedstawia rzeczywiste przebieg wyjściowy napięcia unipolarnego invertera według wynalazku; FIG.12 przedstawia symulowane przebiegi napięć hybrydowej modulacji (hybrid modulation scheme), ilustrujące zasadę pracy unipolarnego lub bipolarnego invertera – Waveforms of Unipolar and Bipolar Modulation Scheme; FIG.13 przedstawia rzeczywiste przebiegi napięcia dla hybrydowej modulacji inwertera; FIG.14 przedstawia wykresem porównania między bieżącą wydajnością konwersji przy różnych sposobach hybrydowej modulacji; FIG.15 jest wykresem przebiegów napięcia Uab falownika i przebiegu prądu dławika w obwodzie tłumienia sygnału wspólnego.
W normalnym przypadku energia elektryczna z sieci jest wykorzystywana do bezpośredniego dostarczania energii do obciążenia, a prąd zmienny o częstotliwości sieciowej może przechodzić przez falownik prądu stałego (DC)/falownik prądu zmiennego (AC) w celu przekształcenia z prądu przemiennego do prądu stałego, a następnie przejść przez konwerter DC/DC w celu naładowania akumulatora. W przypadku awarii sieci elektrycznej akumulator zasila obciążenie po tym, jak falownik DC/DC i falownik DC/AC przekształcają prąd stały na prąd przemienny. Obwód konwersji mocy i hybrydowy sposób sterowania modulacją przedstawione w tym zgłoszeniu mogą być zastosowane w procesie pracy prostownika AC/DC lub falownika DC/AC. Z kolei jak pokazano na FIG.2, prąd stały wyprowadzany przez panel fotowoltaiczny przechodzi przez falownik DC/AC, który przekształca go w prąd przemienny, aby zrealizować konwersie energii przez panel fotowoltaiczny podłączony do sieci. Obwód konwersji mocy i hybrydowy sposób sterowania modulacją zapewnione w tym zgłoszeniu mogą być zastosowane w układzie falownika DC/AC pełniącego funkcje UPS. FIG.3 jest schematem ideowym obwodu konwersji mocy według przykładu wykonania, gdzie obwód konwersji mocy może zawierać obwód 701 po stronie prądu stałego, sieć przełączającą 702 , obwód sterowania 703, obwód 704 filtra i obwód 705 po stronie prądu przemiennego. Obwód sterujący 703 jest skonfigurowany do sterowania siecią przełączającą 702 w celu przekształcania na prąd przemienny zgodnie z ustalonym schematem modulacji, prądu stałego wprowadzanego przez obwód po stronie prądu stałego 701. Obwód 704 filtru jest skonfigurowany do: odfiltrowywania tętnień o wysokiej częstotliwości generowanych przez sieć przełączającą 702 w procesie modulacji i przesyłania przetworzonego prądu przemiennego do obwodu po stronie prądu przemiennego 705 .
FIG.4 jest schematem strukturalnym obwodu konwersji mocy według przykładu wykonania, gdzie sieć przełączająca może zawierać pierwsze ramię mostka konwertera i drugie ramię mostka konwertera, pierwsze ramię mostka konwertera zawiera pierwsze urządzenie przełączające T1 i drugie urządzenie przełączające T2, a drugie ramię mostka konwertera zawiera trzecie urządzenie przełączające T3 oraz czwarte urządzenie przełączające T4. Opcjonalnie jako urządzenie przełączające T1-T4, można wybrać tranzystor bipolarny z izolowaną bramką (IGBT), azotek galu (GaN), tranzystor polowy z tlenkiem metali (MOSFET) lub inne urządzenie półprzewodnikowe mocy. Obwód filtru może zawierać pierwszą cewkę indukcyjną mocy Lal, dławik sygnału wspólnego Lcm, pierwszy kondensator Cdm filtru sygnału różnicowego i pierwszy kondensator Ccm1 filtru sygnału wspólnego. W możliwej realizacji, obwód filtra może ponadto zawierać drugi kondensator Ccm2 filtra wspólnego trybu. Pierwsza cewka indukcyjna mocy La1 zawiera pierwsze uzwojenie La11 i drugie uzwojenie La12 sprzężone magnetycznie. Można rozumieć, że stosunek ilości zwojów pierwszego uzwojenia La11 do drugiego uzwojenia La12 można regulować w oparciu o wymagania. W możliwym scenariuszu można zastosować tę samą ilość zwojów. Dławik sygnału wspólnego Lcm zawiera trzecie uzwojenie Lcm11 i czwarte uzwojenie Lcm12. Pierwszy koniec uzwojenia La11 jest połączony z punktem A sieci przełączającej, a drugi koniec pierwszego uzwojenia La 11 jest połączony z pierwszym końcem trzeciego uzwojenia Lcm11, a pierwszy koniec uzwojenia La 12 są połączone z punktem B sieci przełączającej, przy czym drugi koniec drugiego uzwojenia La12 jest połączony z pierwszym końcem czwartego uzwojenia Lcm12. Pierwszy koniec pierwszego kondensatora Cdm filtru różnicowego jest połączony z drugim końcem pierwszego uzwojenia La11 a drugi koniec pierwszego kondensatora Cdm filtru różnicowego jest połączony z drugim końcem drugiego uzwojenia La12. Pierwszy koniec pierwszego kondensatora Ccm 1 filtra wspólnego jest podłączony do drugiego końca trzeciego uzwojenia Lcm11, a drugi koniec pierwszego kondensatora Ccm 1 filtra wspólnego jest podłączony do obwodu po stronie prądu stałego przy użyciu niskiej impedancji okrążenie. W tym przykładzie wykonania obwód o niskiej impedancji może być rozumiany jako przewód przewodzący, który jest używany do bezpośredniego połączenia drugiego końca pierwszego kondensatora Ccm1 filtra wspólnego trybu i obwodu po stronie prądu stałego. W tym przykładzie obwód o niskiej impedancji jest obwodem o zerowej impedancji. Pierwszy koniec drugiego kondensatora Ccm2 filtra wspólnego jest podłączony do drugiego końca czwartego uzwojenia Lcm12, a drugi koniec drugiego kondensatora Ccm2 filtra wspólnego jest podłączony do obwodu po stronie prądu stałego za pomocą niskiego obwód impedancji. W tym przykładzie wykonania obwód o niskiej impedancji może być rozumiany jako przewód przewodzący, który jest używany do bezpośredniego połączenia drugiego końca drugiego kondensatora Ccm2 filtra wspólnego trybu i obwodu po stronie prądu stałego. W tym przykładzie obwód o niskiej impedancji jest obwodem o zerowej impedancji.
W przykładzie wykonania częstotliwość przełączania sieci przełączającej może być kontrolowana za pomocą jednobiegunowego i bipolarnego schematu modulacji hybrydowej pokazanego na FIG.12, który jest schematycznym diagramem przebiegu hybrydowego sposobu sterowania modulacją układu mostka typu H-Bridge. Opis wyjaśniający istotę techniki SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation) zawarty jest w dokumencie Unipolar and Bipolar PWM Inverter IJIRSTV1I7111 HIT, według którego topologie falownika H-Bridge (zarówno jednobiegunowe, jak i bipolarne) składają się z przełączników energoelektronicznych i są zasilane impulsami o stałej amplitudzie ze zmiennym cyklem pracy w każdym okresie. Impulsy SPWM są generowane przez porównanie dwóch fal – fali nośnej, która jest w tym przypadku trójkątna, oraz modulującej fali odniesienia o częstotliwości zadanej, w tym przypadku sinusoidalnej. Ten falownik z modulacją szerokości impulsu charakteryzuje się prostym obwodem i wytrzymałym schematem sterowania, który realizuje technikę SPWM w celu uzyskania kontroli napięcia wyjściowego falownika i zmniejszenia jego zawartości harmonicznych.
Opis aplikacji zawiera wykres przebiegu napięcia falownika i przebiegu prądu dławika sygnału wspólnego dla przedstawionych przykładów wykonania. Widać oczywiście, że nie ma prądu o tętnieniach wysokiej częstotliwości na uzwojeniu dławika sprzężonego dla wspólnego obwodu przewidzianego w tym zgłoszeniu, dzięki czemu można zmniejszyć straty wysokiej częstotliwości na sprężonym dławiku wspólnym, a wydajność falownika jest znacznie poprawiona.
WNIOSKI
Metoda, w której konwersji moc prądu stałego niskiego napięcia DC 12V do postaci zmiennego napięcia sieciowego AC 220V, składa się z dwóch etapów. Pierwszym etapem jest konwersja niskonapięciowego prądu stałego na wysokonapięciowe źródło prądu stałego, a drugim etapem jest konwersja wysokiego źródła prądu stałego na kształt fali prądu przemiennego przy użyciu modulacji szerokości impulsu PWM. Inną metodą osiągnięcia pożądanego rezultatu byłoby najpierw przekształcenie niskiego napięcia prądu stałego na prąd przemienny, a następnie użycie transformatora w celu zwiększenia napięcia do 220 V. W praktyce preferowana jest pierwsza metoda, a konkretnie na przekształceniu źródła wysokiego napięcia prądu stałego na wyjściowy prądu przemienny napięcia sieciowego 220V. Spośród różnych falowników DC/AC dostępnych obecnie na rynku istnieją zasadniczo dwie różne formy generowanego sygnału wyjściowego prądu przemiennego: zmodyfikowana fala sinusoidalna i czysta fala sinusoidalna. Zmodyfikowana fala sinusoidalna może być postrzegana jako bardziej fala prostokątna niż fala sinusoidalna; przekazuje wysokie napięcie prądu stałego przez określony czas, aby średnia moc i napięcie skuteczne były takie same, jak w przypadku fali sinusoidalnej. Tego typu falowników jest dużo tańsze niż falowniki czysto sinusoidalne i dlatego są atrakcyjną alternatywą. Z drugiej strony falowniki sinusoidalne wytwarzają falę sinusoidalną identyczną z mocą pochodzącą z gniazdka elektrycznego. Urządzenia te są w stanie obsługiwać bardziej wrażliwe urządzenia, których zmodyfikowana fala sinusoidalna może spowodować uszkodzenia, takich jak: drukarki laserowe, laptopy, elektronarzędzia, zegary cyfrowe i wyposażenie medyczne. Ta forma zasilania prądem przemiennym zmniejsza również słyszalny hałas w urządzeniach takich jak lampy fluorescencyjne i uruchamia obciążenia indukcyjne, takie jak silniki, szybciej i ciszej ze względu na niskie zniekształcenia harmoniczne. W elektronicznych konwerterach mocy i silnikach modulacja PWM jest szeroko stosowany jako środek do zasilania urządzeń prądu przemiennego (AC) z dostępnym źródłem prądu stałego (DC) lub do zaawansowanej konwersji DC/AC. Zmienność cyklu pracy w sygnale PWM w celu zapewnienia napięcia stałego na obciążeniu , można utworzyć za pomocą prostych komponentów analogowych, sterowanych przez cyfrowy mikrokontroler, lub konkretne układy scalone PWM.
Sterowanie analogowe PWM wymaga generowania zarówno sygnałów odniesienia, jak i fali nośnej, które są podawane do komparatora, gdzie generuje się sygnały wyjściowe w oparciu o różnicę między sygnałami. Sygnał odniesienia jest sinusoidalny i ma częstotliwość żądanego sygnału wyjściowego, podczas gdy sygnał nośny jest często fala piłokształtna lub trójkątna o częstotliwości znacznie większej niż odniesienie. Kiedy sygnał nośny przekracza wartość odniesienia, sygnał wyjściowy komparatora jest w jednym stanie, a gdy napięcie odniesienia jest wyższe, wyjście jest w drugim stanie. Proces ten pokazano na rysunku z trójkątną falą nośną w kolorze czerwonym, sinusoidalną falą odniesienia w kolorze niebieskim oraz modulowanymi i niemodulowanymi impulsami sinusoidalnymi.
Głównym układem falownika AC/DC jest układ mostka typu H (H-bridge), który realizuje kluczowanie napięcia stałego sygnałami z modulacja PWM w obwodzie przypominającym literę H. Sygnał wyjściowy z przekątnej mostka posiada kształt impulsowego napięcie, które jest wygładzane następnie w obwodzie dławików, do postaci czystej sinusoidy.
Konwerter HBridge lub fullbridge to konfiguracja przełączająca składająca się z czterech przełączników w układzie przypominającym H. Kontrolując różne przełączniki w mostku, można umieścić napięcie dodatnie, ujemne lub zerowe na obciążeniu.
Zmiana cyklu pracy sygnału PWM zapewnia, że napięcia na obciążeniu w określonym momencie czasu będzie widoczne dla obciążenia jako sygnał prądu przemiennego. Czysta fala sinusoidalna jest uzyskiwana po przejściu sygnału przez filtr dolnoprzepustowy. Do zalet konwertera pracującego w konfiguracji H-Bridge należy zaliczyć: - Zmniejszona utrata mocy – obwody przełączane mają zwykle mniejsze zużycie energii, ponieważ urządzenia przełączające są prawie zawsze wyłączone (niski prąd oznacza niską moc) lub włączone (niski spadek napięcia oznacza niską moc); - Łatwe generowanie – sygnały PWM są dość łatwe do wygenerowania. Wiele nowoczesnych mikrokontrolerów zawiera sprzęt PWM w chipie; korzystanie z tego sprzętu często zajmuje bardzo mało uwagi mikroprocesora i może działać w tle bez zakłócania wykonywania kodu; –Konwersje cyfrowo-analogową – fakt, że cykl pracy sygnału PWM można dokładnie kontrolować za pomocą prostych procedur zliczania, jest jednym z powodów, dla których sygnały PWM mogą być wykorzystywane do realizacji konwersji cyfrowo-analogowej.
Wracając do techniki UPS należy polecić artykuł PWM Techniques: A Pure Sine Wave Inverter Worcester Polytechnic Institute, pod redakcja Professor Stephen J. Bitar, ECE, który opisuje przykładowĄ konstrukcje zasilacza awaryjnego UPS. PWM_Techniques_final
Power Electronics – The H-Bridge Topology
Przetwornica sinus PRO1000 zasilanie awaryjne
