インバーターとは?電気および電子工学の学生向けの初心者ガイド

はじめに:

この記事では、インバーターとは何か、その機能とは何か、その動作原理について説明します。太陽光発電アレイには、家庭やオフィスで使用する AC 電源を提供するインバーターがあります。また、ファン、ポンプ、コンプレッサーの AC インダクション モーターの速度、トルク、回転方向を制御する「可変周波数ドライバー」にも使用されます。

インバーターとは?

まず基本に行きましょう。おそらく、直流 (DC) と交流 (AC) という 2 つの異なるタイプの電力を知っているでしょう。直流は、おそらく基本的な懐中電灯、ソーラー パネルまたはバッテリー、および回路基板を備えた小型電気製品に使用するものです。しかし、より大型の家電について話すと、電気の仕組みはまったく異なります。コンセントからの電源は交流 (AC) に基づいており、家の電源に使用されます。どちらのタイプにも独自の制限があるため、多くの場合、それらを最大限に活用するために一方のフォームを他方のフォームに変換する必要があります。

インバーターは、DC を AC に変換することを可能にするデバイスです。オシロスコープを使用して、両方のタイプの電力の信号を確認できます。 DCは、本質的に最大電圧で一方向に流れる電流を提供します。 1 本の連続した直線が表示されます。一方、AC では、電圧が 1 サイクルで正のピーク点と負のピーク点の間で交互に変化する正弦波のようなパターンが見られます。電流は基本的に「行ったり来たり」します。

インバーターの働き

インバーターの動作を理解するために、AC デバイスに電力を供給するために DC 電源が使用されている回路を考えてみましょう。 DC を AC に変換するには、4 つのスイッチがあります。スイッチは、スイッチ 1 と 4 が閉じるとスイッチ 2 と 3 が開き、その逆も成り立つようにペアになっています。したがって、DC 電源に接続されていても、負荷には交流電流が流れます。

スイッチの 1 つのペアが開いているとき、電流は AC デバイスの右側を通って流れます。同様に、対応する 2 番目のスイッチのペアが開いている場合、電流は AC デバイスの左側を流れます。そのため、デバイスには交流電流が流れます。

デバイスは正弦波を経験しません。代わりに、突然の切り替えにより方形波が発生します。この波は実際に電気機器に損傷を与える可能性があるため、平滑化する必要があります。このためにエンジニアは、ダイオード、IGBT、MOSFET などの特定の電気部品を使用します。

インバータでの IGBT の使用:

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) は 3 端子半導体デバイスです。ここで、以下に示すモーターの回路を考えてみましょう。

DC 電源と AC 負荷があり、コントローラーに接続された多数の IGBT があります。各 IGBT は、いつ開閉するかを伝える信号をコントローラーから受け取ります。 IGBT はペアになっています。

回路の電源を入れると、コントローラーは IGBT のペアを切り替えて、制限された時間だけ電流を通過させ、モーターに交流電流が流れるようにします。

モーター速度を制御するためのインバーターの使用:

IGBT は、パルス幅変調としても知られている、1 サイクルあたり数回の脈動方式で開閉します。サイクル自体は小さなセグメントに分割され、コントローラーは IGBT に小さなセグメントごとに閉じたままにする時間を伝えます。このように、IGBT はさまざまな量の電流をモーターに流すことができます。

その結果、セグメントあたりの平均パワーは正弦波パターンになります。サイクルをより小さなセグメントに分割するほど、正弦波はより滑らかになります。そのため、モーターには正弦波の交流電流が流れます。

コントローラを使用して、特定の IGBT が開いている時間を制御し、対応する信号の周波数と波長を制御して、モータの速度、トルク、および方向を制御できます。

インバーターの使用:

インバーターには多くの用途と用途があります:

• オフィス用の小さなカー アダプター、家庭用アプリケーション、および大規模グリッド システムで使用されます。
• 一般的な用途は太陽電池アレイです。
• AC モーターの速度、トルク、および方向を制御するために、可変周波数ドライバーに統合されています。
• 工業用および商業施設の HVAC システム内で使用されます。
• UPS (無停電電源装置) として使用できます。
• 太陽光発電システムで使用されます。
• 遠心ファン、ミキサー、ポンプ、コンベア、押出機などで使用できます。