インバーター回路マスターガイド：家庭での製作から応用まで

DCバッテリー貯蔵などの異なる電源とインバーターの組み合わせが一般的になりつつあります。また、パワーエレクトロニクススイッチングデバイスの進歩に伴い、インバーター電源は優れた追加・予備電源を提供します。

しかし、インバーター回路のメリットを最大化し、すべてを理解するために読み進めてください。特に、ご家庭で簡単に作る方法がわかります。

インバーター回路の意味

インバーター回路は直流電力を交流電力に変換し、電力網やスタンドアローンシステムに電力を供給します。言い換えれば、DC（直流）をAC（交流）に変換するデバイスです。

インバーター回路の仕組み

仕組みはシンプルです。コンバーター回路が整流により交流を継続的に直流に変換します。つまり、交流が正弦波であるため、波形の大きさと方向が時間とともに定期的に変化します。

したがって、ダイオードが電気を通して直流に変換しますが、逆方向には通しません。

直流がダイオードを通過する場合、順方向のみが電気を通し、正のピークのみが現れます。つまり、サイクルのもう半分は負のピークに達しないため無駄になります。

したがって、ダイオード構造をブリッジのようにして、順方向で負のピークを通過させます。これを全波整流と呼び、負と正の両方の波ピークを変換します。

一方、全波整流だけでは滑らかな波形は作れず、リップル電圧と交流変動の痕跡が残ります。

したがって、コンデンサを繰り返し充放電することでクリーンアップし、波形を直流に近づけて平滑化・交換します。

さらに、このシンプルなインバーター回路は、様々な周波数と電圧の交流を出力します。AC/DC変換プロセスでは、IGBT（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などのパワートランジスタをスイッチングし、ON/OFF間隔を変えてパルス波と多様な幅を生成します。

その後、それらを疑似正弦波であるPWM（パルス幅変調）に結合します。

コンピューターがパルス幅を自動制御します。例えば、一部のワンチップコンピューターはPWM機能を内蔵し、モーターを制御します。

したがって、望ましいパラメータを指定することで、疑似正弦波の様々な周波数を生成し、モーター回転速度を制御することが可能です。

別の観点では、電流パルス数が整流回路とインバーターパルス数を分類し、交流入力電圧の直流側に流れることを付け加えておくことが重要です。

さらに、関連する整流回路は12パルス整流器、18パルス整流器、それ以上になることもあります。一方、制御時に整流回路はインバージョンモードで動作します。

上記図の構成は、可変速ドライブ応用の交流電源で現在一般的です。一方、追加のインバーターを接続すると、さらに3つのインバーターで18ステップインバーターが得られます。

インバーター回路の出力波形

インバーターは回路設計に基づき、修正正弦波、矩形波出力、パルス幅変調波、パルス正弦波、出力電圧波形、正弦波などを生成できます。一般的なインバーターは準矩形波や矩形波を生成します。

正弦波の純度の尺度は全高調波歪み（THD）です。例えば、50%デューティパルス矩形波は48% THDの正弦波に相当します。

一方、商用配電網は消費者接続点での波形で3%未満のTHDです。また、IEEE標準519では電力網に接続するシステムで5%未満のTHDを推奨しています。

しかし、低電圧DCソースから家庭用プラグイン電圧を作るには2つの主要な設計があります。1つ目はスイッチングブーストコンバーターで高電圧DCを生成し、後で交流に変換します。

同時に、2つ目の設計はバッテリーレベルで直流を交流に変換し、ライン周波数トランスで出力電圧を作ります。

パワーインバーター回路の製作方法

必要な部品

主要部品は以下の通り：

• R1, R2 = 100Ω / 10W 巻線抵抗
• T1, T2 = 2N3055 パワートランジスタ
• R3, R4 = 15Ω / 10W 巻線抵抗
• トランス = 9-0-9V / 5A
• アルミヒートシンク = 必要サイズにカット
• 自動車用バッテリー = 12V / 10Ah
• 通気性のある金属キャビネット = 全体アセンブリのサイズに合わせて
• 一次コイル/10-0-10V, 750mA - 二次コイル

その他の基本部品：

• 12Vバッテリー
• 2N2222 トランジスタ
• 抵抗
• 2N2222 データシート
• IRF630 データシート
• 酸性バッテリー、単電池、予備バッテリー
• パワートランス
• アルミヒートシンク
• 9-0-9V, 5A

パワーインバーター回路の製作手順

ステップ 1

まずアルミ板を入手し、約5×5インチの2つに切断・分割します。その際、パワートランジスタが収まる穴を開けます。穴の直径は約3mmにします。

また、インバーターキャビネットへの確実で簡単な取り付けのための適切な穴も開けます。

ステップ 2

次に、抵抗をトランジスタのアームでクロスモードに接続します。下図の回路のようにします。

ステップ 3

トランジスタをボルトやナットでヒートシンクにしっかり固定します。

ステップ 4

その後、抵抗、ヒートシンク、トランジスタのアセンブリをトランスの二次回路を通じて接続します。

ステップ 5

最後に、トランスアセンブリと完成したPCBを通気性の良い金属キャビネットに収めます。出力/入力ポイント、ヒューズホルダーをキャビネットに取り付け、接続します。

これでインバーターの完成です。インバーターはインバーター回路のハウジングケースとしても機能します。なお、出力電圧、周波数、入力電圧、電圧レベル、総合的な電力処理能力は特定のデバイス設計に依存します。したがって、回路構築前にすべてを考慮する必要があります。

テスト方法

本格使用前に回路の動作確認は必要です。テストには、インバーターの出力ソケットに50-60Wの電球を接続します。次に、インバーターの入力ソケットに12Vバッテリーを接続します。

電球が明るくクリアに点灯すれば、回路接続が正しく、インバーターが実用可能です。しかし、点灯しない場合は接続を再確認してください。

インバーターは通常の発電機よりもグリッド周波数の変化に素早く反応します。したがって、インバーターはグリッド周波数と同期する必要があります。

注意点：

• まず、一次側から二次側へ電圧を昇圧するトランスは昇圧トランスです。昇圧トランスは低電流・高電圧電力を高電流・低電圧電力に変換します。

• さらに、スイッチング損失は高周波スイッチング時のインバーター全損失の主要部分です。したがって、スイッチング周波数の最適化はパワーデバイス周辺のTHDとスイッチング損失を低減するために不可欠です。

• 結果として、5kW三相PWMインバーターでは、提案されたゲート制御手法の妥当性と最適化媒体がデジタルゲートドライブICで評価されます。

インバーター回路の分類

インバーターの分類には、電源別、出力別、負荷タイプ別があります：

出力特性による分類

• 正弦波インバーター
• 矩形波インバーター
• 修正正弦波インバーター

電源による分類

• 電圧形インバーター
• 電流形インバーター

負荷タイプによる分類

• 単相インバーター

1. ハーフブリッジインバーター
2. フルブリッジインバーター

• 三相インバーター：ゲートパルス角度に応じて2モードで動作

180度モード：この動作モードではサイリスタの導通時間が180度。120度モード：この動作モードでは一度に2つのサイリスタのみ導通。

• 出力レベル数

1. 標準2レベルインバーター
2. マルチレベルインバーター

その他の分類：

マイクロインバーター - 個別ソーラーパネル用の小型インバーター。

CMOSインバーター - （相補性金属酸化膜半導体）CMOSは論理機能を提供し、主要な集積回路部品です。CMOSインバーターは半導体上の金属ゲートを持つ電界効果トランジスタで構成されます。多くの電子デバイスで使用され、小型回路のデータを提供します。

インバーター回路の一般的な用途

インバーター回路の主な用途：

1. 無停電電源装置（UPS）

UPSはインバーターとバッテリーを使用し、メイン電源が利用できない場合や停電時に交流電力を供給します。例えば、デスクトップPCに接続されたUPSが停電時の突然のシャットダウンを防ぎます。

2. 冷凍圧縮機

さらに、インバーターで圧縮機モーター速度を制御し、冷凍時に可変冷媒流量を実現できます。

別の観点では、ACインバーターやACインバーター回路が圧縮機速度を調整し、ガス（冷媒）流量を制御することで、低消費電力・低電流を実現します。

3. 電動機速度制御

同様に、モーターの回転速度調整に役立ちます。シンプルなインバーターで回転速度を制御できます。インバーターは可変電圧可変周波数（VVVF）で周波数と電圧を変更します。

4. ソーラー

ソーラーインバーターは、オフグリッドとグリッド接続システムの両方で、太陽光発電システムのコンポーネントです。つまり、このタイプのインバーターには太陽光発電アレイ向けの独自機能があります。

5. 電力網

また、インバーターのもう一つの主要な用途は電力消費と電力網です。グリッドタイインバーターは電力配電システムに電力を供給するように設計されています。

結論

要約すると、上記の手順で適切な部品と入力電圧があれば、家庭でインバーター回路を作れることがわかります。ここでは、インバーターの製作手順と必要部品をわかりやすく説明しました。

また、製作後のインバーターテストで効力を確認することをお勧めします。インバーター設計、出力電力にも注目してください。

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