Wisselrigters (inverters) is ‘n krities belangrike komponent van ‘n sonkragstelsel, maar is ook een van die mees ingewikkelde komponente. Die funksie van ‘n wisselrigter is om gelykstroom-elektrisiteit, hetsy direk vanaf sonpanele, óf via batterye om te sit in wisselstroom-elektrisiteit. Behalwe vir aanwending in sonkragstelsels word wisselrigters ook dikwels gebruik as elektriese kragrugsteun (UPS – uninterruptible power supply) vir rekenaars en bedieners, elektriese motorspoedbeheerders, of om wisselstroomkrag vir drabare toerusting vanaf batterye op te wek. In laasgenoemde geval dink ons aan die opwekking van wisselstroomkrag vanaf batterye om elektrisiteit aan afgeleë huise, karavane, tente, bote te lewer, maar ook aandrywing van kraggereedskap op plekke waar elektriese kragvoorsiening nie beskikbaar is nie.

Vir huisgebruik is die gelykstroominset (Vb) vir die wisselrigter gewoonlik ‘n spanning wat veelvoude van 12V is, dws 12V, 24V, 36V of 48V. Omdat die spanningsinset ‘n relatiewe lae spanning het, is die stoominset gewoonlik hoog indien ‘n nuttige hoeveelheid drywing benodig word en daarom word dik geleiers by die insettoevoer vereis. Die wisselstroomuitset is gewoonlik dieselfde as die geldende wisselstroomstandaard waar die wisselrigter benut word. ‘n Suid-Afrikaanse wisselrigter se uitsetspanning sal 220-240V wees met ‘n frekwensie van 50Hz.

Afhangende van hoe die wisselrigter aangewend word, kan breedweg tussen twee tipes sonkragwisselrigters onderskei word. Die eerste is die alleenstaande (stand alone) of netloswisselrigters (off grid inverter) wat in alleenstaande sonkragstelsels gebruik word. Die tweede is netvas-wisselrigters (grid-tie inverters) wat gebruik word om opgewekte sonkragenergie aan die elektriese netwerk te lewer.

Enkelfase wisselrigters kom oor die algemeen meer voor, maar driefase wisselrigters is ook verkrygbaar.

Netloswisselrigters

Daar word tussen drie tipes elektroniese wisselrigters onderskei naamlik vierkantsgolfwisselrigters (square wave inverter), aangepaste sinusgolfwisselrigters (modified sine wave inverter) en suiwer sinusgolfwisselrigters (pure sine wave inverter). Hierdie wisselrigters verskil van mekaar in terme van koste, doeltreffendheid, hoeveel harmoniese steurnisse opgewek word, asook grootte en gewig.

Vierkantgolfwisselrigter:

Dit is die oudste, eenvoudigste en goedkoopste tipe wisselrigter en is veral geskik vir toepassings soos beligting (mits filament gloeilampe gebruik word!) en om ‘n verhittingselement aan te dryf. Die golfvorm is ‘n duidelike vierkantsgolf met ‘n positiewe piekspanning van 220V-240V wat afgewissel word met dieselfde grootte negatiewe piekspanning sien Figuur 1. Die frekwensie van die vierkantsgolf is 50Hz. Weens die golfvorm word intense harmonieke met frekwensies hoër as 50Hz opgewek wat ‘n duidelike gonssteurnis op oudio-toerusting veroorsaak. Die onnatuurlike golfvorm kan ook verder veroorsaak dat wisselstroommotors en sensitiewe elektroniese toerusting beskadig word.

Verder veroorsaak die harmonieke ‘n ondoeltreffendheid deurdat die harmonieke drywing verteenwoordig wat onbenut is. Totale Harmoniese Verwringing (THD – total harmonic distortion) is ‘n maatstaf om harmoniese verwringing as ‘n persentasie uit te druk. Die tipiese THD van die vierkantsgolfwisselrigter is ongeveer 45%. Dit beteken dat die som van al die nuttelose harmonieke se drywing gelykstaande is aan ongeveer 45% van die nuttige drywing wat met die fundamentele frekwensie (50Hz) geassosieer word.

‘n Verdere nadeel van die vierkantsgolfwisselrigter is dat dit ‘n swaar en bonkige wisselrigter is. Die beginsel van werking bepaal dat ‘n vierkantsgolf met ‘n 50Hz frekwensie op die primêre kant van die transformator ingevoer word. ‘n Ingenieursbeginsel wat geld is dat hoe hoër die frekwensie waarby die transformator funksioneer is, hoe kleiner kan die fisiese grootte en gewig van die transformator vir dieselfde drywingsoordrag wees.

Die generiese beginsel waarop die vierkantsgolfwisselrigter werk word in Figuur 2 getoon:-

Die inset tot die stelsel is ‘n gelykstroom, afkomstig van batterye of die sonpanele, met ‘n gelykstroomspanning van Vb = 12V, 24V, 36V of 48V.
‘n Ossillator wek ‘n sein op wat teen 50Hz ossilleer. Die sein word gebruik om drywingstransistors (BJTs of MOSFETs) deur middel van ‘n transitoraandrywer hard aan en af te skakel. Die drywingstransistors tree dus op as elektriesbeheerde skakelaars. Die uitset van die transistorkonfigurasie is ‘n wisselstroom in die vorm van ‘n vierkantsgolf met ‘n maksimum spanning van Vb vir die helfte van die siklus en dan ‘n minimumspanning van -Vb vir die volgende helfte van die siklus. Die oorgange tussen minimumspanning en maksimum spanning is bykans onmiddellik.
Die uitset van die transistorkonfigurasie word vervolgens in die primêr van ’n optrap-transformator (step-up transformer) gevoer waar die windingsverhouding tussen die transformator se primêr en sekondêr sodanig is dat uitset van die transformator ‘n RMS waarde, soos bepaal vir ‘n vierkantsgolf, van 220-240V het.

Aangepaste sinusgolfwisselrigters

‘n Verbetering op die vierkantsgolfwisselrigter is die aangepaste sinusgolfwisselrigter. Aangepaste sinusgolfwisselrigters werk goed in baie toepassings en is ook die mees algemene soort wisselrigter op die mark. Prysgewys is dit ‘n ekonomiese oplossing. Die aangepaste sinusgolfwisselrigter se uitset is ‘n spanning wat tussen 3 vlakke wissel naamlik Vb, 0 en -Vb. Hierdie golfvorm stel rofweg ‘n sinusgolf voor soos getoon in Figuur 3. Die THD van die 3-vlakwisselrigter is groter as 23.8% wat die aandryf van oudiotoerusting problematies maak, terwyl die doeltreffendheid van die wisselrigter ook nie te watwonders is nie. Sommige toestelle – veral toestelle wat met skakelmoduskragbronne werk soos laserdrukkers, fotokopieermajiene, fluoresente ligte, kraggereedskap met reëlbare spoedbeheer, batterylaaiers, naaldwerkmasjiene met motorspoedbeheer, asook mediese toerusting – mag probleme gee as krag deur hierdie wisselrigters verskaf word. Verder veroorsaak hierdie wisselrigters ook steurings op party televisiestelle.

‘n Uitbreiding op die die 3-vlak wisselrigter is ‘n 5-vlakwisselrigter met ‘n uitsetkarakteristiek soos vertoon in Figuur 4. Die THD van die 5-vlak is groter as 6.5% wat op ‘n lae vlak van harmonieke asook ‘n goeie doeltreffendheid dui. Hierdie wisselrigter kan wyd aangewend word. Die wisselrigter se ontwerp is egter meer ingewikkeld en is daarom ook duurder. Die wyse waarop verskillende vlakke vir die die 5-vlakwisselrigter verkry word is waarskynlik, en ek spekuleer hieroor… deur van meervuldige primêre insette op die transformator gebruik te maak, wat dan op die sekondêre windings gesommeer word.

‘n Blokdiagram van ‘n 3-vlak aangepaste sinusgolfwisselrigter word in Figuur 5 getoon. Die beginsel waarop hierdie wisselrigter werk is as volg:-

Die inset tot die stelsel is gelykstroom, afkomstig van batterye of sonpanele, met ‘n gelykstroomspanning van Vb = 12V, 24V, 36V of 48V.
Soos enige ordentlike wisselrigter is die eerste komponent van die wisselrigter ‘n ossillator. ‘n Vierkantsgolfossillator sal gebruik word wat teen 8 maal die fundamentele frekwensie van 50Hz, dws 400Hz ossilleer.
Op grond van die ossilatorpulse word ‘n skakeltydreëlaar geïmplementeer waarvolgens verskillende transistors in ‘n transistorkonfigurasie aan- en afgeskakel word ten einde die verlangde golfvorm te verkry. Dit word deur die transistor-skakeltydbeheerder bewerkstellig.
Met behulp van die transistordrywer word drywingstransistors wat tipies in ‘n H-brug gekonfigureer is aangedryf.
Die wisselstroom só verkry word ook in ‘n optrap-transformator se primêr gevoer waar die windingsverhouding tussen die transformator se primêr en sekondêr sodanig is dat uitset van die transformator ‘n RMS waarde, soos bepaal vir ‘n aangepaste sinusgolf, van 220-240V het. Let daarop dat omdat die pulswydte by die aangepaste sinusgolfwisselrigter, vir die 3-vlak, die helfde is van die vierkantsgolfwisselrigter. Dit het tot gevolg dat ‘n kleiner en ligter transformator reeds gebruik kan word om dieselfde drywing as die vierkantsgolfwisselrigter op te wek.

Suiwer sinusgolfwisselrigter

Die mees ingewikkelde en duurste wisselrigters is suiwer sinusgolfwisselrigters. Die suiwer sinusvormige uitsetgolf lyk soos die Eskom voorsieningslyn se uitset en veroorsaak dat toestelle gebruik kan word sonder vrees vir oorverhiting of dat steurings veroorsaak sal word. Die THD van hierdie toerusting is tipies kleiner as 3%. In vergelyking met die gebruik van ander tipe wisselrigters loop mikrogolfoonde en elektriese motors baie stiller en baie koeler. Elektro-magnetiese asook hoorbare ruis in waaiers, fluoresente ligte, klanktoerusting, televisiestelle, en telefoontoerusting is gevolglik baie minder. Rekenaaronderbrekings word minder gemaak en elektroniese beheer en beskerming van laste in terme van oorspanning, onderspanning en temperatuur werk beter hiermee. Omsettingstegnieke wat gebruik word is ook sodanig dat hoër frekwensies gebruik word as ‘n tussen-stadium wat swaar en bonkige transformators onnodig maak.

‘n Blokdiagram van ‘n suiwer sinusgolfwisselrigter word in Figuur 6 getoon. Alhoewel verskillende ontwerpsbenaderings moontlik is, is die generiese beginsel waarop hierdie wisselrigter werk soos volg:-

Die inset tot die stelsel is gelykstroom, afkomstig van batterye of sonpanele, met ‘n spanning van Vb = 12V, 24V, 36V of 48V. Soos wat dit maar in die ingenieurswese werk, hou die ontwerpskeuse ten opsigte van insetspanning van die wisselrigter voordele en nadele in. Byvoorbeeld, ‘n lae insetspanning beteken dat ‘n groter insetstroom vir ‘n spesifieke drywingslewering nodig is wat dan ook verliese op die geleiers beteken. Daarteenoor, wanneer die gelykstroominset tydens die verwerking van die inset gekap moet word is daar stygtye en daaltye ter sprake. Dit het tot gevolg dat die drywingstransistors, indien ‘n hoër spanning gekap moet word, vir ‘n langer tyd soos ‘n weerstand lyk wat meer energie dissipeer en dus meer hitte genereer. ‘n Weegspel (trade-off) tussen die verskillende opsies moet dus altyd gedoen word.
Die eerste komponent van die wisselrigter is ‘n ossillator. ‘n Sinusgolf-ossillator wat teen die fundamentele frekwensie van 50 Hz ossilleer of ‘n vierkantsgolf-ossillator kan gebruik word. Dit is soms sinvol om ‘n kristal-ossilator te gebruik wat ‘n vierkantsgolf opwek met ‘n frekwensie in die MHz spektrum! Van hierdie hoë kristalfrekwensie kan dan ‘n baie akkurate en stabiele fundamentele frekwensie afgelei word.
Die uitset van die ossillator word in ‘n drywingsversterker gebruik. Verskillende klasse van drywingsversterkers bestaan en verskil op grond van lineariteit en doeltreffendheid. Weereens moet die ontwerper, afhangende van die toepassing, ‘n weegspel doen. ‘n Drywingsversterker vir ‘n hoëtrou-klankstelsel waar klankgetrouheid oor ‘n bandwydte van ten minste 20kHz nodig is, is lineariteit van versterking belangrik terwyl drywingsdoeltreffendheid waarskynlik van minder belang is. Daarteenoor, vir die suiwer sinusgolfwisselrigter, is dit slegs die sinusgolf wat teen die fundamentele frekwensie versterk moet word en lineariteit oor ‘n wye bandwydte is nie ter sprake nie. Wat dan wel belangrik is, is ‘n hoë drywingsdoeltreffendheid. Drywingsversterkers wat kandidate hiervoor is, is die Klas C -versterker en die nog meer doeltreffende Klas D of Pulswydte Modulasie (PWM) -versterker wat ‘n potensiële doeltreffendheid van hoër as 95% het.
Die transformator is ook vir hierdie tipe van wisselrigter onontbeerlik ten einde ‘n hoë spanningsuitset te verkry.
Die laaste komponent van die suiwer sinusgolf wisselrigter is ‘n laagdeurlaatfilter om van oorblywende harmonieke ontslae te raak. Vir hierdie doel word induktore (L) en kapasitore (C) ingespan ten einde ‘n LC-filter te implementeer.

Alhoewel die werking van die wisselrigters in terme van ‘n blokdiagram en enkele punte beskryf is, het die ontwerp van ‘n wisselrigter meer om die lyf as wat hier geskryf is. Behalwe vir die detailontwerp moet daar ook onder andere aan oorgangsdempers (snubbers) aandag gegee word om energie in induktors as gevolg van transitorskakeling in die stelsel te bestuur. Die skrywer het etlike jare gelede, dit is werklik al 25 jaar! … sy hand gewaag aan die ontwerp van ‘n 3-vlak PWM stelsel, 12V tot 240V – sien foto’s hiernaas. Alhoewel die stelsel gewerk het, het die werkverrigtng glad nie aan verwagtinge voldoen nie – meer navorsing en ontwikkeling was inderdaad nog nodig. Die wisselrigter is ook glad nie vergelykbaar met wat vandag in die handel verkrygbaar is nie!

Netvaswisselrigters

Netvaswisselrigters is wisselrigters met die bykomende funksionaliteit dat die fase van die opgewekte sinusgolf in fase met die netwerk gebring moet word. Hiervoor is addisionele elektronika nodig. Verder moet sekere veiligheidsaspekte ook aangespreek word ten einde aan die veiligheidsvereistes, soos bepaal deur die elektrisiteits- en netwerkvoorsiener, te voldoen. So byvoorbeeld moet die teenwoordigheid van elektriese krag op die netwerk gemoniteer word om seker te maak dat daar nie verdere energie in die netwerk ingevoer word sou daar nie krag op die netwerk wees nie.

Erkennings:

3.67 avg. rating (77% score) - 3 votes

KragDag Gemeenskap

Wisselrigters