Invertitori monofase

Un inverter è un dispositivo elettrico che trasforma un ingresso CC in un'uscita CA a una tensione e frequenza selezionate, un processo chiamato conversione da CC a CA. Ad esempio, gli inverter sono molto utilizzati nell'interfaccia tra le celle solari e la rete elettrica, dove l'energia CC generata dalla cella solare deve essere convertita in CA per essere compatibile con la rete. Sono anche essenziali nei gruppi di continuità che immagazzinano energia in una batteria, ma devono produrre energia a 120 Volt 60 hertz per i computer. Un inverter funziona tagliando il suo ingresso CC in una serie di impulsi per creare un'onda oscillante. A seconda della quantità di filtraggio, l'uscita può essere un'onda quadra, un'onda pseudo-sinusoidale o un'onda sinusoidale. Questo video introdurrà i principi di base di un semplice inverter e ne dimostrerà il funzionamento in un semplice circuito.

L'ingresso di un inverter è una tensione CC costante. Un circuito inverter include interruttori elettronici come transistor a effetto di campo in ossido di metallo, transistor bipolari a gate isolato o raddrizzatori controllati al silicio sotto il controllo di un clock o di un generatore di frequenza. Quando il segnale di clock attiva un interruttore, l'ingresso CC viene interrotto o la sua polarità viene invertita. Questo processo è chiamato commutazione. Il taglio ripetuto crea una serie di impulsi o onde quadre. Poiché il periodo di clock determina la frequenza degli impulsi, la modifica della frequenza di controllo dell'inverter modifica di conseguenza la frequenza di uscita. Un tipo di commutazione chiamato modulazione di larghezza di impulso produce un flusso di impulsi con larghezze variabili che possono essere filtrati per approssimare un'onda sinusoidale. La modulazione dell'ampiezza dell'impulso è auspicabile perché le macchine e le apparecchiature elettriche spesso richiedono alimentazione con tensione variabile sinusoidalmente per funzionare correttamente. Per le numerose topologie di inverter, come gli inverter a ponte H, trifase e multilivello, l'inverter a mezzo ponte è un elemento fondamentale. L'inverter a semiponte in questo diagramma semplificato applica la sua alimentazione CC V in attraverso due condensatori identici in serie, che fungono da divisore di tensione. Poiché i condensatori hanno lo stesso valore, hanno la stessa tensione attraverso i loro terminali e il nodo tra di loro è a V in/2. Questo punto è la messa a terra CA per il carico. L'inverter a semiponte utilizza due interruttori in serie e due clock non sovrapposti o sfasati per collegare alternativamente il nodo tra di loro a V in e zero Volt. Per evitare un cortocircuito dell'alimentazione CC, un interruttore deve spegnersi prima che si accenda l'altro. Il carico è collegato dal punto tra i due interruttori al punto tra i due condensatori. Quando l'interruttore A è acceso e l'interruttore B è spento, il carico è collegato a V in e ha una tensione positiva di 1/2 V in attraverso di esso, rispetto alla terra CA. Quando l'interruttore A è spento e l'interruttore B è acceso, il carico è collegato a zero Volt e ha una tensione negativa di 1/2 V rispetto alla terra CA. Poiché questo processo di commutazione si ripete, il carico ha alternativamente una tensione positiva e negativa attraverso di esso con un'ampiezza di 1/2 V in. In questo semplice caso, l'alimentazione CA è un'onda quadra. Ora che sono state spiegate le basi di un inverter monofase, dimostriamo il dispositivo costruendo un inverter a semiponte da CC a CA con commutazione a onda quadra, quindi osserviamo il suo funzionamento.

Innanzitutto, configura i generatori a due funzioni per produrre onde quadre da 10 kilohertz che oscillano da 0 a 10 Volt con un ciclo di lavoro del 48%. Sincronizzare le uscite in modo che siano sfasate di 180 gradi tra loro. Ogni generatore di funzioni controlla in modo indipendente uno dei due interruttori a transistor ad effetto di campo dell'inverter a semiponte. L'onda quadra accende il transistor quando l'uscita è alta e lo spegne quando l'uscita è bassa o zero Volt. Poiché il ciclo di lavoro è del 48%, il restante 2% del periodo è il tempo morto tra gli stati di accensione dei due transistor. Durante questo periodo le uscite di entrambi i generatori di segnale sono basse, impedendo ai transistor di condurre contemporaneamente ed evitando un cortocircuito dell'alimentazione CC. Collegare un canale di un oscilloscopio all'uscita di ciascun generatore di funzioni. Quindi conferma che le onde quadre abbiano l'ampiezza, la frequenza e il ciclo di lavoro previsti. Le due onde quadre devono anche avere fasi opposte, quindi una è alta mentre l'altra è bassa. Acquisire la schermata dell'oscilloscopio per riferimento futuro. Spegnere le uscite del generatore di funzioni ma lasciare i generatori accesi. Infine, impostare l'alimentazione CC a 15 Volt positivi ma non collegarlo a nessun circuito, quindi spegnerlo.

Costruisci il circuito dell'inverter a semiponte e usa un resistore da 51 ohm per la resistenza di carico, carico R. Con l'alimentazione CC disattivata, collegare la sua uscita all'ingresso VDC dell'inverter. Collegare una sonda differenziale attraverso il carico R per misurare l'uscita V, quindi collegare una normale sonda dell'oscilloscopio tra l'uscita alta, che è il pin sette, e la terra. Impostare la scala dell'oscilloscopio su 10x e la scala della sonda su 20x. Ridimensionare tutte le misurazioni di conseguenza. Registrare la scala dalla sonda e dall'oscilloscopio per tenere conto dei fattori mancanti in un secondo momento. Collegare l'uscita di un generatore di funzioni all'ingresso alto, che è il pin 10, e controllare la commutazione del transistor superiore. Collegare la massa del generatore di funzioni alla massa comune del circuito. Collegare l'uscita dell'altro generatore di funzioni a Low in, che è il pin 12, e controlla la commutazione del transistor inferiore. Collegare la massa dell'altro generatore di funzioni alla massa comune del circuito. Cattura le forme d'onda ad High out e V out e misura la tensione, l'ampiezza e la frequenza di uscita. Registrare le letture di corrente e tensione sull'alimentatore CC. Ripetere le misurazioni con una frequenza di ingresso di cinque kilohertz e osservare la differenza nella forma d'onda CA in uscita. Infine, spegnere l'alimentazione CC e scollegare i generatori di funzioni dal circuito.

La tensione di uscita di questo inverter a semiponte è un'onda quadra con un'ampiezza di 1/2 V c.c. e un certo tempo morto che causa l'azzeramento della tensione di uscita per circa il 4% del periodo di commutazione. Gli inverter a onda quadra hanno un'elevata distorsione armonica totale e sono raramente utilizzati in applicazioni reali. Tuttavia, sono gli elementi costitutivi di molti inverter più avanzati con schemi di commutazione migliori, come la modulazione sinusoidale dell'ampiezza dell'impulso. Questi metodi più sofisticati non solo riducono la distorsione armonica totale, ma facilitano anche i requisiti di filtraggio per le armoniche indesiderate nella tensione di uscita CA.

Gli inverter sono comunemente utilizzati nell'interfaccia tra l'alimentazione CC disponibile e le applicazioni CA, le apparecchiature e i macchinari. Grandi raggi di celle solari stanno ora producendo energia in molte aree e contribuiscono alla rete elettrica locale. Le celle solari producono energia CC e gli inverter vengono utilizzati per trasformarla in alimentazione CA con la tensione e la frequenza adeguate per la rete. Molte macchine utilizzano l'alimentazione CA, ma non alla frequenza fissa di 120 Volt RMS e 60 hertz dell'alimentazione principale. La velocità del rotore di un motore a induzione, ad esempio, dipende dalla frequenza della corrente che lo aziona. I convertitori di frequenza utilizzano la conversione da CA a CC per generare alimentazione CC interna. Gli inverter, a loro volta, utilizzano questa potenza CC per generare energia CA con tensione e frequenza regolabili, che consentono il controllo della velocità e della coppia del motore a induzione.

Hai appena visto l'introduzione di Giove agli inverter monofase. A questo punto dovresti comprendere le basi della conversione da CC a CA e come regolare la frequenza dell'uscita CA modificando la frequenza di commutazione. Grazie per l'attenzione.