単相インバーター

インバーターは、選択した電圧と周波数でDC入力をAC出力に変換する電気デバイスであり、DCからACへの変換と呼ばれるプロセスです。たとえば、インバーターは太陽電池と電力網の間のインターフェースで頻繁に使用されており、太陽電池から生成されたDC電力をグリッドと互換性を持たせるためにACに変換する必要があります。また、バッテリーにエネルギーを蓄える無停電電源装置にも不可欠ですが、コンピューター用に120ボルト60ヘルツの電力を生成する必要があります。インバーターは、DC入力を一連のパルスに切り刻んで振動波を生成することによって動作します。フィルタリングの量に応じて、出力は矩形波、擬似正弦波、または正弦波になる場合があります。このビデオでは、単純なインバータの基本的な原理を紹介し、簡単な回路での動作を示します。

インバーターの入力は一定のDC電圧です。インバータ回路には、金属酸化物電界効果トランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、クロックまたは周波数発生器の制御下にあるシリコン制御整流器などの電子スイッチが含まれます。クロック信号がスイッチをオンにすると、DC入力がチョッピングされるか、その極性が反転します。このプロセスは整流と呼ばれます。チョッピングを繰り返すと、一連のパルスまたは矩形波が発生します。クロック周期がパルスレートを決定するため、インバータの制御周波数を変更すると、それに応じて出力周波数が変更されます。パルス幅変調と呼ばれるスイッチングの一種は、さまざまな幅のパルスの流れを生成し、それをフィルタリングして正弦波に近似させることができます。機械や電気機器が適切に動作するためには、正弦波的に変化する電圧の電力が必要になることが多いため、パルス幅変調が望ましいです。Hブリッジ、三相、マルチレベルインバータなど、多くのインバータトポロジにとって、ハーフブリッジインバータは基本的な構成要素です。この簡略化された図のハーフブリッジインバータは、直列に接続された2つの同一のコンデンサにDC電源Vを印加し、分圧器として機能します。コンデンサは同じ値を持つため、端子間の電圧は同じで、コンデンサ間のノードはV in/2にあります。このポイントは、負荷のACグランドです。ハーフブリッジインバータは、直列に接続された2つのスイッチと、オーバーラップしないクロックまたは位相がずれた2つのクロックを使用して、それらの間のノードをV入力とゼロボルトに交互に接続します。DC電源の短絡を避けるために、一方のスイッチがオフになる前にもう一方のスイッチがオフになる必要があります。負荷は、2つのスイッチ間のポイントから2つのコンデンサ間のポイントに接続されます。スイッチAがオンで、スイッチBがオフのとき、負荷はV入力に接続され、ACグランドに対して1/2Vの正電圧が両端に供給されます。スイッチAがオフでスイッチBがオンの場合、負荷はゼロボルトに接続され、ACグランドに対して負荷の両端に1/2Vの負の電圧がかかります。このスイッチングプロセスが繰り返されると、負荷は正と負の電圧を交互に持ち、振幅は1/2V入力です。この単純なケースでは、AC電源は矩形波です。単相インバータの基本が説明されたので、矩形波スイッチングを備えたDCからACへのハーフブリッジインバータを構築してデバイスのデモンストレーションを行い、その動作を観察しましょう。

まず、0 ボルトから 10 ボルトまで振動する 10 キロヘルツの方形波を 48% のデューティサイクルで生成するように 2 機能発電機を構成します。出力を互いに 180 度ずれるように同期します。各ファンクションジェネレータは、ハーフブリッジインバータの2つの電界効果トランジスタスイッチのうちの1つを独立して制御します。方形波は、出力が High のときにトランジスタをオンにし、出力が Low または 0 ボルトのときにトランジスタをオフにします。デューティサイクルは48%であるため、周期の残りの2%は、2つのトランジスタのオン状態間のデッドタイムです。この間、両方の信号発生器の出力は低くなり、トランジスタが同時に導通するのを防ぎ、DC電源の短絡を回避します。オシロスコープの1つのチャンネルを各ファンクションジェネレータの出力に接続します。次に、方形波が予想される振幅、周波数、およびデューティサイクルを持っていることを確認します。また、2つの方形波は位相が逆である必要があるため、一方は高く、もう一方は低くなります。後で参照できるようにスコープ画面をキャプチャします。ファンクションジェネレータの出力をオフにしても、ジェネレータはオンのままにします。最後に、DC電源を正の15ボルトに設定しますが、どの回路にも接続せず、電源を切ります。

ハーフブリッジインバータ回路を構築し、負荷抵抗R負荷に51Ωの抵抗を使用します。DC電源をオフにした状態で、その出力をインバータ入力VDCに接続します。R負荷の両端に差動プローブを接続してV出力を測定し、次に通常のスコーププローブをハイ出力(ピン7)とグランドの間に接続します。スコープのスケーリングを 10 倍に、プローブのスケーリングを 20 倍に設定します。それに応じてすべての測定値をスケーリングします。プローブとオシロスコープからのスケーリングを記録して、後で不足している要因を考慮に入れます。1つのファンクションジェネレータの出力をピン10のHigh inに接続し、上位トランジスタのスイッチングを制御します。ファンクションジェネレータのグランドを回路のコモングランドに接続します。もう一方のファンクション・ジェネレータの出力をピン12のLow inに接続し、下部トランジスタのスイッチングを制御します。他のファンクションジェネレータのグランドを回路のコモングランドに接続します。High outとV outで波形を捕捉し、出力電圧、振幅、周波数を測定します。DC 電源の電流と電圧の読み取り値を記録します。5キロヘルツの入力周波数で測定を繰り返し、出力AC波形の違いを観察します。最後に、DC電源をオフにし、関数発生器を回路から切断します。

このハーフブリッジインバータの出力電圧は、振幅が1/2VDCの方形波であり、デッドタイムが発生するため、スイッチング期間の約4%で出力電圧がゼロになります。方形波インバータは全高調波歪みが高く、実際のアプリケーションで使用されることはほとんどありません。ただし、これらは、正弦波パルス幅変調など、より優れたスイッチング方式を備えた多くの高度なインバータの構成要素です。これらのより洗練された方法は、全高調波歪みを低減するだけでなく、AC出力電圧の望ましくない高調波に対するフィルタリング要件も緩和します。

インバーターは、利用可能なDC電源とACアプリケーション、機器、および機械との間のインターフェースで一般的に使用されます。太陽電池の大きな光線は、現在、多くの地域で電力を生産し、地域の電力網に貢献しています。ただし、太陽電池はDC電力を生成し、インバーターを使用してグリッドに適切な電圧と周波数でAC電力に変換します。多くのマシンはAC電源を使用しますが、主電源の固定120ボルトRMSおよび60ヘルツ周波数では使用しません。たとえば、誘導電動機の回転子速度は、それを駆動する電流の周波数に依存します。可変周波数ドライブは、ACからDCへの変換を使用して内部DC電力を生成します。インバーターは、このDC電力を使用して、電圧と周波数を調整できるAC電力を生成し、誘導モーターの速度とトルクの制御を可能にします。

Joveの単相インバーターの紹介を見ました。これで、DCからACへの変換の基本と、スイッチング周波数を変更してAC出力の周波数を調整する方法を理解できました。ご覧いただきありがとうございます。