محول الطاقة

يتطلب جهاز أو دائرة عاكس الطاقة النموذجية مصدر طاقة تيار مستمر مستقر قادر على توفير تيار كافٍ لتلبية احتياجات الطاقة المطلوبة للنظام. يعتمد جهد الدخل على تصميم العاكس والغرض منه. ومن الأمثلة على ذلك:

• 12 فولت تيار مستمر، لأجهزة العاكس الاستهلاكية والتجارية الصغيرة التي تعمل عادةً ببطارية حمض الرصاص القابلة لإعادة الشحن بجهد 12 فولت أو بمأخذ كهربائي للسيارات. ^{[ 3 ]}
• 24 و 36 و 48 فولت تيار مستمر، وهي معايير شائعة لأنظمة الطاقة المنزلية.
• 200 إلى 400 فولت تيار مستمر، عندما تكون الطاقة من الألواح الشمسية الكهروضوئية.
• 300 إلى 800 فولت تيار مستمر، عندما تكون الطاقة من حزم بطاريات المركبات الكهربائية لتشغيل المحركات أو في أنظمة المركبات إلى الشبكة.
• مئات الآلاف من الفولتات، حيث يكون العاكس جزءًا من نظام نقل الطاقة بالتيار المستمر عالي الجهد .

قد يُنتج العاكس موجة مربعة ، أو موجة جيبية ، أو موجة جيبية مُعدّلة، أو موجة جيبية نبضية، أو موجة مُعدّلة عرض النبضة (PWM) قريبة من الموجة الجيبية، وذلك حسب تصميم الدائرة. تُنتج الأنواع الشائعة من العواكس موجات مربعة أو شبه مربعة. يُعدّ التشوه التوافقي الكلي (THD) أحد مقاييس نقاء الموجة الجيبية . ^{[ 4 ]} تتطلب المعايير الفنية لشبكات توزيع الطاقة التجارية ألا يتجاوز التشوه التوافقي الكلي 3% في شكل الموجة عند نقطة توصيل المستهلك. ويوصي معيار IEEE 519 بأن يكون التشوه التوافقي الكلي أقل من 5% للأنظمة المتصلة بشبكة الطاقة.

يوجد تصميمان أساسيان لإنتاج جهد كهربائي مناسب للاستخدام المنزلي من مصدر تيار مستمر منخفض الجهد، الأول يستخدم محول رفع الجهد لإنتاج تيار مستمر عالي الجهد ثم يحوله إلى تيار متردد. أما الطريقة الثانية فتحول التيار المستمر إلى تيار متردد عند مستوى البطارية وتستخدم محول تردد الشبكة لتوليد جهد الخرج. ^{[ 5 ]}

الموجة المربعة

تُعدّ الموجة المربعة ذات دورة التشغيل 50% من أبسط أشكال الموجات التي يمكن أن ينتجها تصميم العاكس، ولكنها تُضيف ما يقارب 48.3% من التشوه التوافقي الكلي إلى موجتها الجيبية الأساسية . ^{[ 4 ]} لذا، قد يُنتج خرج الموجة المربعة ضوضاء "طنين" غير مرغوب فيها عند توصيله بأجهزة الصوت، وهو أنسب للتطبيقات منخفضة الحساسية مثل الإضاءة والتدفئة.

موجة جيبية

يُطلق على جهاز تحويل الطاقة الذي يُنتج موجة تيار متردد جيبية متعددة المراحل اسم محول الموجة الجيبية . ولتمييز محولات الطاقة ذات الخرج الأقل تشويشًا من محولات الموجة الجيبية المعدلة (ثلاثية المراحل) بشكل أوضح، غالبًا ما يستخدم المصنّعون مصطلح " محول الموجة الجيبية النقية ". معظم محولات الطاقة الاستهلاكية التي تُباع تحت مسمى "محول الموجة الجيبية النقية" لا تُنتج موجة جيبية سلسة على الإطلاق، بل تُنتج خرجًا أقل تقطعًا من محولات الموجة المربعة (ثنائية المراحل) ومحولات الموجة الجيبية المعدلة (ثلاثية المراحل). مع ذلك، لا يُعد هذا الأمر بالغ الأهمية لمعظم الأجهزة الإلكترونية، إذ تتعامل مع الخرج بكفاءة عالية.

عند استخدام محولات الطاقة كبديل للتيار الكهربائي التقليدي، يُفضّل الحصول على خرج موجة جيبية لأن العديد من المنتجات الكهربائية مصممة للعمل بكفاءة عالية مع مصدر طاقة تيار متردد بموجة جيبية. توفر شركات الكهرباء التقليدية موجة جيبية، عادةً ما تكون بها عيوب طفيفة، ولكن في بعض الأحيان بتشوه كبير.

تُعدّ محولات الموجة الجيبية ذات أكثر من ثلاث خطوات في خرج الموجة أكثر تعقيدًا وأعلى تكلفةً بكثير من محولات الموجة الجيبية المعدلة ذات الثلاث خطوات فقط، أو محولات الموجة المربعة (ذات الخطوة الواحدة) التي تتمتع بنفس قدرة تحمل الطاقة. تعمل أجهزة تزويد الطاقة ذات الوضع المُبدّل (SMPS)، مثل أجهزة الكمبيوتر الشخصية أو مشغلات أقراص DVD، على طاقة الموجة الجيبية المعدلة. قد تُنتج محركات التيار المتردد التي تعمل مباشرةً على طاقة غير جيبية حرارةً زائدة، وقد يكون لها خصائص عزم دوران وسرعة مختلفة، أو قد تُصدر ضوضاءً أعلى من تلك التي تُصدرها عند تشغيلها على طاقة جيبية.

موجة جيبية معدلة

الموجة الجيبية المعدلة هي مجموع موجتين مربعتين ، إحداهما متأخرة ربع دورة عن الأخرى. والنتيجة هي سلسلة متكررة من خطوات الجهد: صفر، ذروة موجبة، صفر، ذروة سالبة، ثم صفر مرة أخرى. شكل موجة الجهد الناتج أقرب إلى شكل الموجة الجيبية منه إلى الموجة المربعة. معظم محولات الطاقة الاستهلاكية الرخيصة تُنتج موجة جيبية معدلة بدلاً من موجة جيبية نقية.

إذا تم اختيار شكل الموجة بحيث تكون قيم جهد الذروة لنصف زمن الدورة، فإن نسبة جهد الذروة إلى جهد RMS تكون مماثلة لنسبة جهد الموجة الجيبية. يمكن تنظيم جهد ناقل التيار المستمر بشكل فعال، أو يمكن تعديل أزمنة التشغيل والإيقاف للحفاظ على نفس قيمة RMS للخرج حتى جهد ناقل التيار المستمر، وذلك للتعويض عن تغيرات جهد ناقل التيار المستمر. بتغيير عرض النبضة، يمكن تغيير طيف التوافقيات. يبلغ أدنى تشوه توافقي كلي (THD) لموجة جيبية معدلة ثلاثية الخطوات 30% عندما يكون عرض النبضات 130 درجة لكل دورة كهربائية. وهذا أقل قليلاً من تشوه الموجة المربعة. ^{[ 6 ]}

يمكن تعديل نسبة زمن التشغيل إلى زمن الإيقاف لتغيير جهد RMS مع الحفاظ على تردد ثابت باستخدام تقنية تُسمى تعديل عرض النبضة (PWM). تُرسل نبضات البوابة المُولّدة إلى كل مفتاح وفقًا للنمط المُحدد للحصول على الخرج المطلوب. يعتمد طيف التوافقيات في الخرج على عرض النبضات وتردد التعديل. وقد ثبت أن الحد الأدنى من التشوه في شكل الموجة ثلاثي المستويات يتحقق عندما تمتد النبضات على 130 درجة من شكل الموجة، ولكن الجهد الناتج سيظل يحتوي على نسبة تشويه توافقي كلي (THD) تبلغ حوالي 30%، وهي أعلى من المعايير التجارية لمصادر الطاقة المتصلة بالشبكة. ^{[ 7 ]} عند تشغيل المحركات الحثية، لا تُشكل توافقيات الجهد عادةً مصدر قلق؛ ومع ذلك، فإن التشوه التوافقي في شكل موجة التيار يُسبب تسخينًا إضافيًا ويمكن أن يُنتج عزم دوران نابضًا. ^{[ 8 ]}

تعمل العديد من الأجهزة الكهربائية بكفاءة عالية مع محولات الطاقة ذات الموجة الجيبية المعدلة، وخاصة الأحمال المقاومة كالمصابيح المتوهجة التقليدية. أما الأجهزة المزودة بمصدر طاقة ذي وضع تبديل، فتعمل دون مشاكل تقريبًا، ولكن إذا كان الجهاز مزودًا بمحول كهربائي رئيسي، فقد ترتفع درجة حرارته تبعًا لحدود قدرته.

مع ذلك، قد يعمل الحمل بكفاءة أقل بسبب التوافقيات المصاحبة للموجة الجيبية المعدلة، مما يُنتج صوت طنين أثناء التشغيل. ويؤثر هذا أيضًا على كفاءة النظام ككل، لأن كفاءة التحويل الاسمية المُعلنة من قِبل الشركة المصنعة لا تأخذ التوافقيات في الحسبان. لذا، قد توفر محولات الموجة الجيبية النقية كفاءة أعلى بكثير من محولات الموجة الجيبية المعدلة.

تعمل معظم محركات التيار المتردد على محولات MSW مع انخفاض في الكفاءة بنسبة 20% تقريبًا بسبب المحتوى التوافقي. ومع ذلك، قد تكون هذه المحركات صاخبة للغاية. وقد يساعد استخدام مرشح LC متسلسل مضبوط على التردد الأساسي. ^{[ 9 ]}

تتمثل إحدى بنيات محولات الموجة الجيبية المعدلة الشائعة في محولات الطاقة الاستهلاكية فيما يلي: يقوم متحكم دقيق مدمج بتشغيل وإيقاف ترانزستورات MOSFET بسرعة عالية بتردد يصل إلى 50  كيلوهرتز. تستمد هذه الترانزستورات الطاقة مباشرةً من مصدر تيار مستمر منخفض الجهد (مثل البطارية). ثم تمر هذه الإشارة عبر محولات رفع الجهد (عادةً ما يتم توصيل العديد من المحولات الصغيرة بالتوازي لتقليل الحجم الكلي للمحول) لإنتاج إشارة جهد أعلى. بعد ذلك، يتم ترشيح خرج محولات رفع الجهد بواسطة مكثفات لإنتاج مصدر تيار مستمر عالي الجهد. وأخيرًا، يقوم المتحكم الدقيق بنبض مصدر التيار المستمر هذا باستخدام ترانزستورات MOSFET إضافية لإنتاج إشارة الموجة الجيبية المعدلة النهائية.

تستخدم العواكس الأكثر تعقيدًا أكثر من جهدين لتشكيل تقريب متعدد الخطوات لموجة جيبية. وهذا من شأنه أن يقلل من التوافقيات في الجهد والتيار والتشوه التوافقي الكلي مقارنةً بالعواكس التي تستخدم نبضات موجبة وسالبة متناوبة فقط؛ إلا أن هذه العواكس تتطلب مكونات تبديل إضافية، مما يزيد التكلفة.

تعديل عرض النبضة شبه الجيبية

تستخدم بعض محولات التيار تقنية تعديل عرض النبضة (PWM) لإنشاء شكل موجي يمكن ترشيحه بترددات منخفضة لإعادة إنتاج الموجة الجيبية. لا تتطلب هذه المحولات سوى مصدر تيار مستمر واحد، على غرار تصميمات MSN، ولكن عملية التبديل تتم بسرعة أكبر بكثير، تصل عادةً إلى عدة كيلوهرتز، مما يسمح بتنعيم عرض النبضات المتغير لإنشاء الموجة الجيبية. في حال استخدام معالج دقيق لتوليد توقيت التبديل، يمكن التحكم بدقة في المحتوى التوافقي والكفاءة.

عادةً ما يكون تردد خرج التيار المتردد لجهاز محول الطاقة هو نفسه تردد خط الطاقة القياسي، 50 أو 60 هرتز . وتشمل الاستثناءات محركات التردد المتغير ، حيث يؤدي التردد المتغير إلى تحكم متغير في السرعة، وتطبيقات الفضاء الجوي حيث يُستخدم تردد 400 هرتز. ^{[ 10 ]}

أيضًا، إذا كان من المقرر تهيئة خرج الجهاز أو الدائرة بشكل أكبر (على سبيل المثال رفعه)، فقد يكون التردد أعلى بكثير لتحقيق كفاءة جيدة للمحول.

غالبًا ما يتم ضبط جهد خرج التيار المتردد لمحول الطاقة ليكون مساويًا لجهد خط الشبكة، والذي يكون عادةً 120 أو 240 فولت تيار متردد على مستوى التوزيع، حتى عند حدوث تغيرات في الحمل الذي يُشغّله المحول. وهذا يسمح للمحول بتشغيل العديد من الأجهزة المصممة للعمل بجهد خط الشبكة القياسي.

تسمح بعض أجهزة العاكس أيضًا بتحديد جهد الخرج أو تغييره باستمرار.

يُقاس معدل الطاقة الإجمالي لمحولات الطاقة عادةً بالواط أو الكيلوواط. وهذا يُشير إلى الطاقة المتاحة للجهاز الذي يُشغّله المحول، وبالتالي، بشكل غير مباشر، إلى الطاقة المطلوبة من مصدر التيار المستمر. وتتراوح قدرة الأجهزة الاستهلاكية والتجارية الصغيرة الشائعة، المصممة لمحاكاة طاقة التيار الكهربائي، عادةً بين 150 و3000 واط.

لا تقتصر جميع تطبيقات العاكس على توصيل الطاقة فقط أو بشكل أساسي؛ ففي بعض الحالات يتم استخدام خصائص التردد أو شكل الموجة بواسطة الدائرة أو الجهاز اللاحق.

يقوم العاكس بتحويل التيار المستمر من مصادر مثل البطاريات أو خلايا الوقود إلى تيار متردد. ويمكن أن يكون التيار بأي جهد مطلوب؛ وعلى وجه الخصوص، يمكنه تشغيل أجهزة التيار المتردد المصممة للعمل مع الشبكة الكهربائية، أو تقويمه لإنتاج تيار مستمر بأي جهد مرغوب.

يستخدم نظام تزويد الطاقة غير المنقطعة (UPS) بطاريات ومحولًا لتوفير طاقة التيار المتردد عند انقطاع التيار الكهربائي الرئيسي. وعند عودة التيار الكهربائي الرئيسي، يقوم مقوم التيار بتوفير طاقة التيار المستمر لإعادة شحن البطاريات.

تُستخدم دوائر العاكس المصممة لإنتاج نطاق جهد خرج متغير بشكل شائع في وحدات التحكم بسرعة المحركات. يمكن الحصول على طاقة التيار المستمر لقسم العاكس من مقبس حائط تيار متردد عادي أو أي مصدر آخر. تُستخدم دوائر التحكم والتغذية الراجعة لضبط خرج قسم العاكس النهائي، والذي يحدد في النهاية سرعة المحرك العامل تحت حمله الميكانيكي. تتعدد احتياجات التحكم في سرعة المحركات، وتشمل تطبيقات مثل: المعدات الصناعية التي تعمل بمحركات، والمركبات الكهربائية، وأنظمة النقل بالسكك الحديدية، والأدوات الكهربائية. (انظر أيضًا: محرك التردد المتغير ). تُصمم حالات التبديل للجهود الموجبة والسالبة والصفرية وفقًا للأنماط الموضحة في جدول التبديل 1. تُرسل نبضات البوابة المُولدة إلى كل مفتاح وفقًا للنمط المُطور، ومن ثم يتم الحصول على الخرج.

صُممت محولات التيار المتصلة بالشبكة لتغذية نظام توزيع الطاقة الكهربائية. ^{[ 15 ]} وهي تنقل الطاقة بشكل متزامن مع الخط، وتتميز بأقل قدر ممكن من التوافقيات. كما أنها تحتاج إلى وسيلة للكشف عن وجود طاقة الشبكة لأسباب تتعلق بالسلامة، وذلك لتجنب استمرار تغذية الشبكة بالطاقة بشكل خطير أثناء انقطاع التيار الكهربائي.

محولات التزامن هي محولات مصممة لمحاكاة مولد دوار، ويمكن استخدامها للمساعدة في استقرار الشبكات الكهربائية. ويمكن تصميمها بحيث تستجيب بشكل أسرع من المولدات العادية لتغيرات تردد الشبكة، مما يمنح المولدات التقليدية فرصة للاستجابة للتغيرات المفاجئة في الطلب أو الإنتاج.

تُستخدم محولات التيار الكبيرة، التي تبلغ قدرتها عدة مئات من الميغاواط، لتوصيل الطاقة من أنظمة نقل التيار المستمر ذات الجهد العالي إلى أنظمة توزيع التيار المتردد.

يُعدّ العاكس الشمسي أحد مكونات نظام التوازن (BOS) في نظام الخلايا الكهروضوئية ، ويمكن استخدامه في الأنظمة المتصلة بالشبكة والأنظمة المستقلة (غير المتصلة بالشبكة). يحتوي العاكس الشمسي على وظائف خاصة مصممة خصيصًا للاستخدام مع مصفوفات الخلايا الكهروضوئية ، بما في ذلك تتبع نقطة الطاقة القصوى والحماية من العزل .

تختلف محولات الطاقة الشمسية الدقيقة عن المحولات التقليدية، حيث يتم تركيب محول دقيق منفصل على كل لوحة شمسية. وهذا من شأنه تحسين الكفاءة الإجمالية للنظام. ثم يتم دمج الطاقة الناتجة من عدة محولات دقيقة وتغذيتها في الغالب إلى شبكة الكهرباء .

في تطبيقات أخرى، يمكن دمج العاكس التقليدي مع مجموعة بطاريات يتم صيانتها بواسطة وحدة تحكم شحن الطاقة الشمسية. ويُشار إلى هذا المزيج من المكونات غالبًا باسم مولد الطاقة الشمسية. ^{[ 16 ]}

تُستخدم محولات الطاقة الشمسية أيضًا في أنظمة الخلايا الكهروضوئية للمركبات الفضائية .

تقوم العواكس بتحويل التيار المتردد الرئيسي منخفض التردد إلى تردد أعلى لاستخدامه في التسخين الحثي . وللقيام بذلك، يتم أولاً تقويم التيار المتردد لتوفير تيار مستمر. ثم يقوم العاكس بتحويل التيار المستمر إلى تيار متردد عالي التردد. وبفضل تقليل عدد مصادر التيار المستمر المستخدمة، يصبح التصميم أكثر موثوقية، كما يتميز جهد الخرج بدقة أعلى نتيجةً لزيادة عدد الخطوات، مما يُحسّن من الحصول على جهد جيبي مرجعي. وقد شاع استخدام هذا التصميم مؤخرًا في تطبيقات إمداد الطاقة بالتيار المتردد ومحركات السرعة المتغيرة. ويُغني هذا العاكس الجديد عن استخدام ثنائيات التثبيت أو مكثفات موازنة الجهد الإضافية.

توجد ثلاثة أنواع من تقنيات تعديل مستوى الإشارة، وهي:

• توزيع الطور المقابل (POD)
• وضعية التقابل الطوري البديل (APOD)
• توزيع الطور (PD)

في نقل الطاقة عبر التيار المستمر عالي الجهد ، يتم تقويم التيار المتردد ونقل التيار المستمر عالي الجهد إلى موقع آخر. في موقع الاستقبال، يقوم عاكس في محطة تحويل التيار المستمر عالي الجهد بتحويل الطاقة مرة أخرى إلى تيار متردد. يجب أن يكون العاكس متزامنًا مع تردد الشبكة وطورها، وأن يقلل من توليد التوافقيات.

تستخدم أسلحة الصعق الكهربائي وأجهزة الصاعق محول تيار مستمر/متردد لتوليد عشرات الآلاف من الفولتات المترددة من بطارية صغيرة تعمل بجهد 9 فولت تيار مستمر . في البداية، يُحوّل جهد 9 فولت تيار مستمر إلى 400-2000 فولت تيار متردد باستخدام محول تردد عالي صغير الحجم، ثم يُقوّم ويُخزّن مؤقتًا في مكثف عالي الجهد حتى الوصول إلى جهد عتبة مُحدد مسبقًا. عند الوصول إلى جهد العتبة (المُحدد بواسطة فجوة هوائية أو ترياك)، يُفرغ المكثف كامل حمولته في محول نبضي يرفع الجهد إلى جهد الخرج النهائي الذي يتراوح بين 20 و60 كيلو فولت . يُستخدم شكل مُعدّل من هذا المبدأ أيضًا في أجهزة الصعق الإلكتروني وأجهزة صاعق الحشرات ، على الرغم من أنها تعتمد على مُضاعف جهد قائم على المكثف لتحقيق جهدها العالي.

تشمل التطبيقات النموذجية لمحولات الطاقة ما يلي:

• أجهزة استهلاكية محمولة تسمح للمستخدم بتوصيل بطارية ، أو مجموعة من البطاريات، بالجهاز لإنتاج طاقة التيار المتردد لتشغيل مختلف الأجهزة الكهربائية مثل المصابيح وأجهزة التلفزيون وأجهزة المطبخ والأدوات الكهربائية.
• يُستخدم في أنظمة توليد الطاقة مثل شركات الكهرباء أو أنظمة توليد الطاقة الشمسية لتحويل طاقة التيار المستمر إلى طاقة التيار المتردد.
• يُستخدم هذا النظام ضمن أي نظام إلكتروني أكبر حيث توجد حاجة هندسية لتحويل مصدر التيار المستمر إلى تيار متردد. على سبيل المثال، قد يحتوي جهاز إلكتروني يعمل بالتيار المستمر على عاكس صغير لتشغيل إضاءة خلفية كهربائية أو فلورية ، والتي تتطلب تيارًا مترددًا عالي التردد.
• تحويل تردد المرافق - إذا احتاج مستخدم في  بلد (على سبيل المثال) يستخدم تردد 50 هرتز  إلى مصدر طاقة بتردد 60 هرتز لتشغيل معدات خاصة بالتردد، مثل محرك صغير أو بعض الأجهزة الإلكترونية، فمن الممكن تحويل التردد عن طريق تشغيل عاكس بتردد 60  هرتز من مصدر تيار مستمر مثل  مصدر طاقة 12 فولت يعمل من شبكة الكهرباء  الرئيسية بتردد 50 هرتز.

في دائرة عاكس بسيطة، يتم توصيل مصدر التيار المستمر بمحول كهربائي عبر نقطة التوصيل المركزية للملف الابتدائي. يتم تشغيل مفتاح مرحل بسرعة ذهابًا وإيابًا للسماح للتيار بالتدفق عائدًا إلى مصدر التيار المستمر عبر مسارين متناوبين، أحدهما عبر أحد طرفي الملف الابتدائي والآخر عبر الطرف الآخر. ينتج عن تناوب اتجاه التيار في الملف الابتدائي للمحول تيار متردد في الدائرة الثانوية.

يتضمن الإصدار الكهروميكانيكي لجهاز التبديل نقطتي تلامس ثابتتين ونقطة تلامس متحركة مدعومة بنابض. يثبت النابض نقطة التلامس المتحركة مقابل إحدى نقطتي التلامس الثابتتين، بينما يسحب مغناطيس كهربائي نقطة التلامس المتحركة إلى نقطة التلامس الثابتة المقابلة. ينقطع التيار في المغناطيس الكهربائي بفعل المفتاح، مما يؤدي إلى تبديل المفتاح باستمرار وبسرعة ذهابًا وإيابًا. كان هذا النوع من مفاتيح العاكس الكهروميكانيكية، والذي يُسمى بالمهتز أو الجرس، يُستخدم سابقًا في أجهزة راديو السيارات التي تعمل بتقنية الصمامات المفرغة . وقد استُخدمت آلية مماثلة في أجراس الأبواب، وأجهزة التنبيه، وآلات الوشم .

مع توفر الترانزستورات وأنواع أخرى من مفاتيح أشباه الموصلات بقدرات مناسبة، تم دمجها في تصميمات دوائر العاكس. وتستخدم بعض القدرات، وخاصة للأنظمة الكبيرة (الكيلوواط المتعددة)، الثايرستورات (SCR). توفر الثايرستورات قدرة عالية على تحمل الطاقة في جهاز أشباه الموصلات، ويمكن التحكم بها بسهولة ضمن نطاق إطلاق متغير.

يُنتج المفتاح الموجود في العاكس البسيط الموصوف أعلاه، عند عدم توصيله بمحول خرج، موجة جهد مربعة الشكل نظرًا لطبيعته البسيطة المتمثلة في التشغيل والإيقاف، على عكس الموجة الجيبية التي تُمثل الموجة المعتادة لمصدر طاقة التيار المتردد. وباستخدام تحليل فورييه ، تُمثل الموجات الدورية كمجموع سلسلة لانهائية من الموجات الجيبية. تُسمى الموجة الجيبية التي لها نفس تردد الموجة الأصلية بالمكون الأساسي. أما الموجات الجيبية الأخرى، والتي تُسمى التوافقيات ، والمُضمنة في السلسلة، فلها ترددات تُمثل مضاعفات صحيحة للتردد الأساسي.

يمكن استخدام تحليل فورييه لحساب التشوه التوافقي الكلي (THD). التشوه التوافقي الكلي (THD) هو الجذر التربيعي لمجموع مربعات الفولتية التوافقية مقسومًا على الفولتية الأساسية.

${\displaystyle {\text{THD}}={{\sqrt {V_{2}^{2}+V_{3}^{2}+V_{4}^{2}+\cdots +V_{n}^{2}}} \over V_{1}}}$

تُستخدم العديد من تصميمات دوائر الطاقة واستراتيجيات التحكم المختلفة في تصميمات العاكسات. ^{[ 17 ]} تعالج مناهج التصميم المختلفة قضايا متنوعة قد تكون أكثر أو أقل أهمية اعتمادًا على كيفية استخدام العاكس. على سبيل المثال، يمكن لمحرك كهربائي في سيارة متحركة أن يتحول إلى مصدر طاقة، ويمكنه، باستخدام تصميم العاكس المناسب (جسر H كامل)، شحن بطارية السيارة عند التباطؤ أو الكبح. وبالمثل، يمكن للتصميم المناسب (جسر H كامل) عكس أدوار "المصدر" و"الحمل"، أي إذا كان الجهد أعلى على جانب "الحمل" المتردد (بإضافة عاكس شمسي، مشابه للمولد، ولكنه يعمل بتقنية الحالة الصلبة)، يمكن للطاقة أن تتدفق عائدة إلى "المصدر" المستمر أو البطارية.

استنادًا إلى بنية جسر H الأساسية ، توجد استراتيجيتان أساسيتان للتحكم تُعرفان بمحول الجسر ذي التردد المتغير الأساسي والتحكم بتقنية تعديل عرض النبضة (PWM). ^{[ 18 ]} في الصورة اليسرى لدائرة جسر H، يُسمى المفتاح العلوي الأيسر "S1"، بينما تُسمى المفاتيح الأخرى "S2، S3، S4" بترتيب عكس اتجاه عقارب الساعة.

في محول الجسر الأساسي ذي التردد المتغير، يمكن تشغيل المفاتيح بنفس تردد التيار المتردد في الشبكة الكهربائية. ومع ذلك، فإن معدل فتح وإغلاق المفاتيح هو الذي يحدد تردد التيار المتردد. عندما يكون المفتاحان S1 وS4 في وضع التشغيل، بينما يكون المفتاحان الآخران في وضع الإيقاف، يتم تزويد الحمل بجهد موجب، والعكس صحيح. يمكننا التحكم في حالتي تشغيل وإيقاف المفاتيح لضبط سعة وطور التيار المتردد. كما يمكننا التحكم في المفاتيح لإزالة بعض التوافقيات. يشمل ذلك التحكم في المفاتيح لإنشاء فجوات، أو مناطق حالة الصفر، في شكل موجة الخرج، أو جمع مخارج محولين أو أكثر موصولة على التوازي مع وجود فرق في الطور بينها.

هناك طريقة أخرى يمكن استخدامها وهي تعديل عرض النبضة (PWM). على عكس محول الجسر الأساسي ذي التردد المتغير، في استراتيجية التحكم بتقنية PWM، يعمل مفتاحان فقط، S3 وS4، بتردد جانب التيار المتردد أو بأي تردد منخفض. أما المفتاحان الآخران فيعملان بسرعة أكبر بكثير (عادةً 100  كيلوهرتز) لتوليد جهد مربع متساوي القيمة ولكن لفترات زمنية مختلفة، وهو ما يشبه جهدًا متغير القيمة على نطاق زمني أوسع.

تُنتج هاتان الاستراتيجيتان توافقيات مختلفة. ففي الأولى، وباستخدام تحليل فورييه، يكون مقدار التوافقيات 4/(πk) (حيث k رتبة التوافقيات). لذا، تتركز معظم طاقة التوافقيات في التوافقيات ذات الرتب المنخفضة. أما في استراتيجية تعديل عرض النبضة (PWM)، فتتركز طاقة التوافقيات في الترددات العالية نظرًا لسرعة التبديل. وتؤدي خصائص التوافقيات المختلفة في هاتين الاستراتيجيتين إلى متطلبات مختلفة للتشويه التوافقي الكلي (THD) والتخلص من التوافقيات. وكما هو الحال مع "التشويه التوافقي الكلي"، يُمثل مفهوم "جودة شكل الموجة" مستوى التشوه الناتج عن التوافقيات. ولن تكون جودة شكل موجة التيار المتردد المُنتج مباشرةً بواسطة جسر H المذكور أعلاه بالمستوى المطلوب.

يمكن معالجة مشكلة جودة شكل الموجة بعدة طرق. يمكن استخدام المكثفات والمحاثات لتصفية شكل الموجة. إذا كان التصميم يتضمن محولًا ، فيمكن تطبيق التصفية على الجانب الابتدائي أو الثانوي للمحول أو على كليهما. تُستخدم مرشحات التمرير المنخفض للسماح بمرور المكون الأساسي لشكل الموجة إلى المخرج مع الحد من مرور المكونات التوافقية. إذا صُمم العاكس لتوفير الطاقة بتردد ثابت، فيمكن استخدام مرشح رنيني . أما بالنسبة للعاكس ذي التردد القابل للتعديل، فيجب ضبط المرشح على تردد أعلى من التردد الأساسي الأقصى.

بما أن معظم الأحمال تحتوي على محاثة، فغالباً ما يتم توصيل مقومات التغذية الراجعة أو الثنائيات المتوازية المعاكسة عبر كل مفتاح شبه موصل لتوفير مسار لتيار الحمل الحثي الأقصى عند إيقاف تشغيل المفتاح. وتشبه الثنائيات المتوازية المعاكسة إلى حد ما ثنائيات التحرر المستخدمة في دوائر محولات التيار المتردد/المستمر.

شكل الموجة	انتقالات الإشارة لكل دورة	تم التخلص من التوافقيات	تضخيم التوافقيات	وصف النظام	THD
	2			موجة مربعة ثنائية المستوى	~45% [ 19 ]
	4	3، 9، 27، ...		موجة جيبية معدلة ثلاثية المستويات	>23.8% [ 19 ]
	8			موجة جيبية معدلة بخمسة مستويات	>6.5% [ 19 ]
	10	3، 5، 9، 27	7، 11، ...	تعديل عرض النبضة البطيء للغاية ذو المستويين
	12	3، 5، 9، 27	7، 11، ...	تعديل عرض النبضة البطيء جدًا بثلاثة مستويات

يكشف تحليل فورييه أن شكل الموجة، كالموجة المربعة، المتناظر عكسيًا حول نقطة 180 درجة، لا يحتوي إلا على التوافقيات الفردية، كالتوافقيات الثالثة والخامسة والسابعة، وهكذا. ويمكن لأشكال الموجات التي تحتوي على خطوات ذات عرض وارتفاع محددين أن تُضعف بعض التوافقيات المنخفضة على حساب تضخيم التوافقيات الأعلى. على سبيل المثال، بإدخال خطوة جهد صفري بين الجزأين الموجب والسالب من الموجة المربعة، يمكن التخلص من جميع التوافقيات التي تقبل القسمة على ثلاثة (الثالثة والتاسعة، وهكذا). ولا يتبقى سوى التوافقيات الخامسة والسابعة والحادية عشرة والثالثة عشرة، وهكذا. ويبلغ عرض الخطوات المطلوب ثلث دورة كل من الخطوات الموجبة والسالبة، وسدس دورة كل من خطوات الجهد الصفري. ^{[ 20 ]}

يُعد تغيير الموجة المربعة كما هو موضح أعلاه مثالاً على تعديل عرض النبضة. ويُستخدم تعديل عرض نبضة الموجة المربعة، أو تنظيمه، غالبًا كوسيلة لتنظيم أو ضبط جهد خرج العاكس. عندما لا يكون التحكم في الجهد مطلوبًا، يمكن اختيار عرض نبضة ثابت لتقليل أو إزالة توافقيات محددة. تُطبق تقنيات إزالة التوافقيات عمومًا على التوافقيات الأدنى لأن الترشيح يكون أكثر عملية عند الترددات العالية، حيث يمكن أن تكون مكونات المرشح أصغر حجمًا وأقل تكلفة. تُنتج أنظمة التحكم في عرض النبضة المتعددة أو القائمة على الموجة الحاملة أشكالًا موجية تتكون من العديد من النبضات الضيقة. يُطلق على التردد الذي يمثله عدد النبضات الضيقة في الثانية الواحدة اسم تردد التبديل أو تردد الموجة الحاملة . تُستخدم أنظمة التحكم هذه غالبًا في عواكس التحكم في المحركات ذات التردد المتغير لأنها تسمح بنطاق واسع من ضبط جهد الخرج والتردد مع تحسين جودة الشكل الموجي.

توفر محولات التيار متعددة المستويات طريقة أخرى لإلغاء التوافقيات. تُنتج هذه المحولات موجة خرج ذات خطوات متعددة عند مستويات جهد مختلفة. على سبيل المثال، يمكن الحصول على موجة جيبية أكثر وضوحًا من خلال مدخلات تيار مستمر ثنائية المسار عند جهدين، أو مدخلات موجبة وسالبة مع تأريض مركزي . عند توصيل أطراف خرج المحول بالتسلسل بين المسار الموجب والتأريض، ثم بين المسار الموجب والمسار السالب، ثم بين مسار التأريض والمسار السالب، ثم توصيلهما معًا بمسار التأريض، يتم توليد موجة متدرجة عند خرج المحول. هذا مثال على محول ثلاثي المستويات: الجهدان والتأريض. ^{[ 21 ]}

تُنتج العواكس الرنانة موجات جيبية باستخدام دوائر LC لإزالة التوافقيات من الموجة المربعة البسيطة. عادةً ما تتكون من عدة دوائر LC رنانة متصلة على التوالي والتوازي، كل منها مضبوطة على توافقية مختلفة لتردد خط الطاقة. يُبسط هذا التصميم الإلكتروني، لكن المحاثات والمكثفات تميل إلى أن تكون كبيرة وثقيلة. كفاءتها العالية تجعل هذا الأسلوب شائعًا في أنظمة تزويد الطاقة غير المنقطعة الكبيرة في مراكز البيانات، حيث تُشغل العاكس باستمرار في وضع "التشغيل" لتجنب أي انقطاع مفاجئ للتيار عند انقطاع الطاقة. (انظر أيضًا: العاكس الرنان )

يستخدم نهجٌ وثيق الصلة محولًا رنينيًا حديديًا، يُعرف أيضًا بمحول الجهد الثابت ، لإزالة التوافقيات وتخزين طاقة كافية لدعم الحمل لعدة دورات تيار متردد. هذه الخاصية تجعله مفيدًا في مصادر الطاقة الاحتياطية للتخلص من ظاهرة التبديل العابر التي تحدث عادةً أثناء انقطاع التيار الكهربائي، عندما يبدأ العاكس، الذي يكون في وضع الخمول عادةً، بالعمل وتتحول المرحلات الميكانيكية إلى مخرجه.

تُستخدم محولات التيار ثلاثية الأطوار في تطبيقات محركات التردد المتغير وفي تطبيقات الطاقة العالية مثل نقل الطاقة بالتيار المستمر عالي الجهد . يتكون محول التيار ثلاثي الأطوار الأساسي من ثلاثة مفاتيح أحادية الطور، كل منها موصول بأحد أطراف الحمل الثلاثة. في أبسط مخطط تحكم، يتم تنسيق عمل المفاتيح الثلاثة بحيث يعمل مفتاح واحد عند كل 60 درجة من شكل موجة الخرج الأساسية. ينتج عن ذلك شكل موجة خرج خطية بست خطوات. تحتوي هذه الموجة على خطوة جهد صفري بين الجزأين الموجب والسالب من الموجة المربعة، مما يؤدي إلى التخلص من التوافقيات التي هي مضاعفات العدد ثلاثة كما هو موضح سابقًا. عند تطبيق تقنيات تعديل عرض النبضة (PWM) القائمة على الموجة الحاملة على أشكال موجية سداسية الخطوات، يتم الاحتفاظ بالشكل العام الأساسي، أو الغلاف ، للموجة بحيث يتم إلغاء التوافقي الثالث ومضاعفاته. والغرض الرئيسي من العاكس المتصل بالشبكة هو تزويد المنازل/المكاتب بالطاقة من مصدر التيار الرئيسي وتغذية مصدر التيار الرئيسي بالطاقة الشمسية المولدة ^{[ 22 ].}

لبناء محولات ذات قدرات أعلى، يمكن توصيل محولين ثلاثي الأطوار بست خطوات على التوازي لزيادة التيار، أو على التوالي لزيادة الجهد. في كلتا الحالتين، يتم تغيير طور موجات الخرج للحصول على موجة من 12 خطوة. عند دمج محولات إضافية، نحصل على محول من 18 خطوة، وهكذا. على الرغم من أن دمج المحولات عادةً ما يكون بهدف زيادة الجهد أو التيار، إلا أنه يحسن جودة الموجة أيضًا.

منذ أواخر القرن التاسع عشر وحتى منتصف القرن العشرين، كان تحويل الطاقة من التيار المستمر إلى التيار المتردد يتم باستخدام محولات دوارة أو مجموعات مولدات كهربائية . في أوائل القرن العشرين، بدأ استخدام الصمامات المفرغة والصمامات المملوءة بالغاز كمفاتيح في دوائر العاكس. وكان النوع الأكثر استخدامًا من الصمامات هو الثايراترون . أما بالنسبة لعكس التيار على نطاق الشبكة، فقد استُخدمت صمامات قوس الزئبق من خمسينيات القرن العشرين وحتى سبعينياته. ^{[ 24 ]}

تُفسر أصول العواكس الكهروميكانيكية مصدر مصطلح "العاكس" . استخدمت محولات التيار المتردد إلى التيار المستمر المبكرة محركًا حثيًا أو متزامنًا للتيار المتردد موصولًا مباشرةً بمولد (دينامو)، بحيث يعكس مبدل المولد توصيلاته في اللحظات المناسبة تمامًا لإنتاج تيار مستمر. ومن التطورات اللاحقة المحول المتزامن، حيث تُدمج ملفات المحرك والمولد في عضو دوار واحد، مع حلقات انزلاق في أحد طرفيه ومبدل في الطرف الآخر وإطار مجال واحد فقط. والنتيجة في كلتا الحالتين هي تيار متردد مُدخل وتيار مستمر مُخرج. في مجموعة المحرك والمولد، يمكن اعتبار التيار المستمر مُولدًا بشكل منفصل عن التيار المتردد؛ أما في المحول المتزامن، فيمكن اعتباره، بمعنى ما، "تيارًا مترددًا مُقوّمًا ميكانيكيًا". مع توفر المعدات المساعدة ومعدات التحكم المناسبة، يمكن تشغيل مجموعة المحرك والمولد أو المحول الدوار "عكسيًا"، لتحويل التيار المستمر إلى تيار متردد. ومن ثم، فإن العاكس هو محول معكوس. ^{[ 25 ]}

نظراً لعدم توفر الترانزستورات المبكرة بتصنيفات كافية للجهد والتيار لمعظم تطبيقات العاكس، فإن إدخال الثايرستور أو مقوم السيليكون المتحكم فيه (SCR) في عام 1957 هو الذي بدأ الانتقال إلى دوائر العاكس ذات الحالة الصلبة .

تُعدّ متطلبات التبديل في مُقوِّمات السيليكون المُتحكَّم بها (SCRs) عاملاً أساسياً في تصميم دوائرها. لا تنطفئ هذه المُقوِّمات أو تُبدِّل نفسها تلقائياً عند إيقاف إشارة التحكم في البوابة، بل تنطفئ فقط عندما ينخفض ​​تيار التشغيل الأمامي إلى ما دون الحد الأدنى لتيار التثبيت، والذي يختلف باختلاف نوع المُقوِّم، وذلك من خلال عملية خارجية. بالنسبة للمُقوِّمات الموصولة بمصدر طاقة تيار متردد، يحدث التبديل تلقائياً كلما انعكست قطبية جهد المصدر. أما المُقوِّمات الموصولة بمصدر طاقة تيار مستمر، فتتطلب عادةً وسيلة تبديل قسري تُجبر التيار على الصفر عند الحاجة إلى التبديل. تستخدم أبسط دوائر المُقوِّمات التبديل التلقائي بدلاً من التبديل القسري. ومع إضافة دوائر التبديل القسري، أصبحت المُقوِّمات تُستخدم في أنواع دوائر العاكس المذكورة أعلاه.

في التطبيقات التي تنقل فيها العواكس الطاقة من مصدر تيار مستمر إلى مصدر تيار متردد، يُمكن استخدام دوائر تقويم التيار المتردد إلى التيار المستمر المُتحكَّم بها والتي تعمل في وضع الانعكاس. في وضع الانعكاس، تعمل دائرة التقويم المُتحكَّم بها كعاكس ذي تبديل خطي. يُمكن استخدام هذا النوع من التشغيل في أنظمة نقل الطاقة عالية الجهد بالتيار المستمر وفي عمليات الكبح التجديدي لأنظمة التحكم في المحركات.

يُعد عاكس مصدر التيار (CSI) نوعًا آخر من دوائر عاكسات SCR. وهو نظير عاكس مصدر الجهد ذي الست خطوات. في عاكس مصدر التيار ، يُهيأ مصدر الطاقة المستمر كمصدر تيار بدلًا من مصدر جهد . تُبدَّل مُقوِّمات SCR في العاكس بتسلسل ست خطوات لتوجيه التيار إلى حمل تيار متردد ثلاثي الأطوار على شكل موجة تيار متدرجة. تشمل طرق تبديل عاكس CSI تبديل الحمل وتبديل المكثفات المتوازية. في كلتا الطريقتين، يُساعد تنظيم تيار الإدخال على عملية التبديل. في تبديل الحمل، يكون الحمل عبارة عن محرك متزامن يعمل بمعامل قدرة متقدم.

مع توفرها بتصنيفات جهد وتيار أعلى، أصبحت أشباه الموصلات مثل الترانزستورات أو IGBTs التي يمكن إيقاف تشغيلها عن طريق إشارات التحكم هي مكونات التبديل المفضلة للاستخدام في دوائر العاكس.

تُصنَّف دوائر التقويم عادةً حسب عدد نبضات التيار التي تتدفق إلى جانب التيار المستمر للمقوِّم لكل دورة من جهد دخل التيار المتردد. مقوِّم نصف الموجة أحادي الطور هو دائرة نبضة واحدة، ومقوِّم الموجة الكاملة أحادي الطور هو دائرة نبضتين. مقوِّم نصف الموجة ثلاثي الأطوار هو دائرة ثلاث نبضات، ومقوِّم الموجة الكاملة ثلاثي الأطوار هو دائرة ست نبضات. ^{[ 26 ]}

في مقومات التيار ثلاثي الأطوار، يُوصل اثنان أو أكثر من المقومات على التوالي أو التوازي للحصول على قيم جهد أو تيار أعلى. تُغذى مدخلات المقومات من محولات خاصة تُخرج تيارات ذات إزاحة طورية، مما يُضاعف الطور. فيُمكن الحصول على ستة أطوار من محولين، واثني عشر طورًا من ثلاثة محولات، وهكذا. ومن أمثلة دوائر المقومات ذات النبضات الاثنتي عشرة، والمقومات ذات النبضات الثماني عشرة، وهكذا.

عند تشغيل دوائر التقويم المتحكم بها في وضع الانعكاس، تُصنف أيضًا حسب عدد النبضات. تتميز دوائر التقويم ذات عدد النبضات الأعلى بانخفاض المحتوى التوافقي في تيار الدخل المتردد وانخفاض التموج في جهد الخرج المستمر. في وضع الانعكاس، تتميز الدوائر ذات عدد النبضات الأعلى بانخفاض المحتوى التوافقي في شكل موجة جهد الخرج المتردد.

كانت أجهزة التبديل الكبيرة المستخدمة في تطبيقات نقل الطاقة، والتي تم تركيبها حتى عام 1970، تعتمد بشكل أساسي على صمامات قوس الزئبق . أما العواكس الحديثة فهي عادةً ما تكون من نوع الحالة الصلبة (عواكس ثابتة). وتتميز إحدى طرق التصميم الحديثة بترتيب المكونات في تكوين جسر H. ويحظى هذا التصميم بشعبية كبيرة أيضًا في الأجهزة الاستهلاكية الصغيرة. ^{[ 27 ] [ 28 ]}