$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Falownik to urządzenie elektryczne, które przekształca wejście prądu stałego na wyjście prądu przemiennego o wybranym napięciu i częstotliwości, w procesie zwanym konwersją prądu stałego na prąd przemienny. Na przykład falowniki są intensywnie stosowane w interfejsie między ogniwami słonecznymi a siecią elektryczną, gdzie prąd stały wytwarzany z ogniwa słonecznego musi zostać przekształcony w prąd przemienny, aby był kompatybilny z siecią. Są one również niezbędne w zasilaczach bezprzerwowych, które magazynują energię w akumulatorze, ale muszą wytwarzać energię 120 V 60 Hz dla komputerów. Falownik działa poprzez rozdrobnienie swojego wejścia prądu stałego na serię impulsów w celu wytworzenia fali oscylacyjnej. W zależności od stopnia filtrowania wyjściem może być fala prostokątna, fala pseudosinusoidalna lub fala sinusoidalna. W tym filmie przedstawimy podstawowe zasady działania prostego falownika i zademonstrujemy jego działanie w prostym obwodzie.
Wejście falownika to stałe napięcie stałe. Obwód falownika obejmuje przełączniki elektroniczne, takie jak tranzystory polowe z tlenkiem metalu, tranzystory bipolarne z izolowaną bramką lub prostowniki sterowane krzemem pod kontrolą zegara lub generatora częstotliwości. Gdy sygnał zegara włącza przełącznik, wejście DC jest cięte lub jego polaryzacja jest odwrócona. Ten proces nazywa się komutacją. Powtarzające się siekanie tworzy serię impulsów lub fal prostokątnych. Ponieważ okres zegara określa częstotliwość impulsów, zmiana częstotliwości sterowania falownika odpowiednio zmienia częstotliwość wyjściową. Rodzaj przełączania zwany modulacją szerokości impulsu wytwarza strumień impulsów o różnych szerokościach, które można filtrować w celu przybliżenia fali sinusoidalnej. Modulacja szerokości impulsu jest pożądana, ponieważ maszyny i urządzenia elektryczne często wymagają do prawidłowego działania zasilania o sinusoidalnie zmiennym napięciu. W przypadku wielu topologii falowników, takich jak falowniki dwufazowe, trójfazowe i wielopoziomowe, falownik półmostkowy jest podstawowym elementem konstrukcyjnym. Falownik półmostkowy na tym uproszczonym schemacie doprowadza zasilanie prądem stałym V do dwóch identycznych kondensatorów połączonych szeregowo, które działają jako dzielnik napięcia. Ponieważ kondensatory mają tę samą wartość, mają to samo napięcie na swoich zaciskach, a węzeł między nimi znajduje się na V in/2. Ten punkt jest uziemieniem AC dla obciążenia. Falownik półmostkowy wykorzystuje dwa przełączniki połączone szeregowo i dwa nienakładające się na siebie lub niefazowe zegary do naprzemiennego łączenia węzła między nimi do V in i zera woltów. Aby uniknąć zwarcia zasilania prądem stałym, jeden przełącznik musi się wyłączyć, zanim włączy się drugi. Obciążenie jest połączone od punktu między dwoma przełącznikami do punktu między dwoma kondensatorami. Gdy przełącznik A jest włączony, a wyłącznik B jest wyłączony, obciążenie jest podłączone do V in i ma dodatnie napięcie 1/2 V w poprzek niego, w stosunku do masy AC. Gdy przełącznik A jest wyłączony, a przełącznik B jest włączony, obciążenie jest podłączone do zera woltów i ma ujemne napięcie 1/2 V w poprzek w stosunku do uziemienia prądu przemiennego. Ponieważ ten proces przełączania się powtarza, obciążenie ma na przemian dodatnie i ujemne napięcie o amplitudzie 1/2 V in. W tym prostym przypadku prąd przemienny jest falą prostokątną. Teraz, gdy podstawy falownika jednofazowego zostały wyjaśnione, zademonstrujmy urządzenie, budując falownik półmostkowy DC na AC z przełączaniem fali prostokątnej, a następnie obserwujmy jego działanie.
Po pierwsze, skonfiguruj generatory dwufunkcyjne tak, aby wytwarzały 10 kilohercowe fale prostokątne oscylujące od 0 do 10 woltów w cyklu pracy 48%. Zsynchronizuj wyjścia tak, aby były przesunięte względem siebie o 180 stopni. Każdy generator funkcyjny niezależnie steruje jednym z dwóch przełączników tranzystorowych polowych falownika półmostkowego. Fala prostokątna włącza tranzystor, gdy wyjście jest wysokie i wyłącza go, gdy wyjście jest niskie lub zerowe woltów. Ponieważ cykl pracy wynosi 48%, pozostałe 2% okresu to czas martwy między stanami włączenia dwóch tranzystorów. W tym czasie wyjścia obu generatorów sygnału są niskie, co uniemożliwia jednoczesne przewodzenie tranzystorów i pozwala uniknąć zwarcia zasilania prądem stałym. Podłącz jeden kanał oscyloskopu do wyjścia każdego generatora funkcyjnego. Następnie upewnij się, że fale prostokątne mają oczekiwaną amplitudę, częstotliwość i cykl pracy. Dwie fale prostokątne muszą mieć również przeciwne fazy, więc jedna jest wysoka, a druga niska. Przechwyć ekran lunety, aby móc z niego skorzystać później. Wyłącz wyjścia generatora funkcyjnego, ale pozostaw generatory włączone. Na koniec ustaw zasilacz prądu stałego na dodatnie 15 woltów, ale nie podłączaj go do żadnego obwodu, a następnie wyłącz.
Zbuduj obwód falownika półmostkowego i użyj rezystora 51 omów do rezystancji obciążenia, obciążenie R. Przy wyłączonym zasilaczu DC podłącz jego wyjście do wejścia falownika VDC. Podłącz sondę różnicową w poprzek obciążenia R, aby zmierzyć wyjście V, a następnie podłącz zwykłą sondę oscyloskopu między wysokim wyjściem, którym jest pin siódmy, a masą. Ustaw skalowanie lunety na 10x, a skalowanie sondy na 20x. Odpowiednio przeskaluj wszystkie pomiary. Zapisz skalowanie z sondy i oscyloskopu, aby później uwzględnić brakujące czynniki. Podłącz wyjście jednego generatora funkcyjnego do High in, który jest pinem 10 i steruje przełączaniem górnego tranzystora. Podłączyć masę generatora funkcyjnego do wspólnego uziemienia obwodu. Podłącz wyjście drugiego generatora funkcyjnego do Low in, który jest pinem 12 i steruje przełączaniem dolnego tranzystora. Podłącz masę drugiego generatora funkcyjnego do wspólnego uziemienia obwodu. Uchwyć kształty fal na wysokim wyjściu i V wyjściu i zmierz napięcie wyjściowe, amplitudę i częstotliwość. Zapisz odczyty prądu i napięcia na zasilaczu prądu stałego. Powtórz pomiary z częstotliwością wejściową pięciu kiloherców i obserwuj różnicę w kształcie wyjściowej fali prądu przemiennego. Na koniec wyłącz zasilanie prądem stałym i odłącz generatory funkcyjne od obwodu.
Napięcie wyjściowe tego falownika półmostkowego jest falą prostokątną o amplitudzie 1/2 VDC i pewnym czasie martwym, co powoduje, że napięcie wyjściowe wynosi zero przez około 4% okresu przełączania. Falowniki prostokątne mają wysokie całkowite zniekształcenia harmoniczne i są rzadko używane w rzeczywistych zastosowaniach. Są one jednak elementami składowymi wielu bardziej zaawansowanych falowników z lepszymi schematami przełączania, takimi jak sinusoidalna modulacja szerokości impulsu. Te bardziej wyrafinowane metody nie tylko redukują całkowite zniekształcenia harmoniczne, ale także ułatwiają wymagania dotyczące filtrowania niepożądanych harmonicznych w napięciu wyjściowym AC.
Falowniki są powszechnie stosowane w interfejsie między dostępnym zasilaniem prądem stałym a aplikacją prądu przemiennego, urządzeniami i maszynami. Duże promienie ogniw słonecznych wytwarzają obecnie energię w wielu obszarach i przyczyniają się do rozwoju lokalnej sieci elektrycznej. Ogniwa słoneczne wytwarzają jednak prąd stały, a falowniki służą do przekształcania go w prąd przemienny o odpowiednim napięciu i częstotliwości dla sieci. Wiele maszyn korzysta z prądu przemiennego, ale nie przy stałej częstotliwości 120 V RMS i 60 Hz głównego zasilania. Na przykład prędkość wirnika silnika indukcyjnego zależy od częstotliwości napędzającego go prądu. Napędy o zmiennej częstotliwości wykorzystują konwersję prądu przemiennego na prąd stały do generowania wewnętrznej mocy prądu stałego. Falowniki z kolei wykorzystują tę moc prądu stałego do generowania prądu przemiennego o regulowanym napięciu i częstotliwości, co umożliwia sterowanie prędkością i momentem obrotowym silnika indukcyjnego.
Właśnie obejrzałeś wprowadzenie Jove'a do falowników jednofazowych. Powinieneś teraz zrozumieć podstawy konwersji prądu stałego na prąd przemienny oraz sposób regulacji częstotliwości wyjścia prądu przemiennego poprzez zmianę częstotliwości przełączania. Dzięki za oglądanie.
