Однофазный инвертор

Инвертор — это электрическое устройство, которое преобразует вход постоянного тока в выход переменного тока с выбранным напряжением и частотой, процесс, называемый преобразованием постоянного тока в переменный. Например, инверторы активно используются на стыке между солнечными батареями и электрической сетью, где энергия постоянного тока, вырабатываемая солнечным элементом, должна быть преобразована в переменный, чтобы быть совместимой с сетью. Они также незаменимы в источниках бесперебойного питания, которые накапливают энергию в батарее, но должны производить мощность 120 Вольт 60 Гц для компьютеров. Инвертор работает, разбивая свой входной постоянный ток на серию импульсов для создания колеблющейся волны. В зависимости от степени фильтрации на выходе может получиться прямоугольная волна, псевдосинусоида или синусоида. В этом видео мы познакомим вас с основными принципами работы простого инвертора и продемонстрирует его работу в простой схеме.

Входом инвертора является постоянное постоянное постоянное напряжение. Инверторная цепь включает в себя электронные переключатели, такие как полевые транзисторы на основе оксида металла, биполярные транзисторы с изолированным затвором или выпрямители, управляемые кремнием под управлением тактового генератора или генератора частоты. Когда тактовый сигнал включается на переключателе, постоянный ток на входе прерывается, или его полярность меняется. Этот процесс называется коммутацией. При повторном прерывании создается серия импульсов или прямоугольных волн. Поскольку тактовый период определяет частоту импульсов, изменение управляющей частоты инвертора соответственно изменяет выходную частоту. Тип коммутации, называемый широтно-импульсной модуляцией, создает поток импульсов различной ширины, который может быть отфильтрован для приближения синусоидальной волны. Широтно-импульсная модуляция желательна, потому что машинам и электрическому оборудованию часто требуется питание с синусоидально изменяющимся напряжением для правильной работы. Для многих инверторных топологий, таких как H-мостовые, трехфазные и многоуровневые инверторы, полумостовой инвертор является фундаментальным строительным блоком. Полумостовой инвертор на этой упрощенной схеме подает напряжение питания постоянного тока на два последовательных конденсатора одинакового типа, которые действуют как делитель напряжения. Поскольку конденсаторы имеют одинаковое значение, они имеют одинаковое напряжение на клеммах, а узел между ними находится в точке V in/2. Эта точка является заземлением переменного тока для нагрузки. Полумостовой инвертор использует два последовательных переключателя и два неперекрывающихся или противофазных тактовых сигнала для поочередного подключения узла между ними к V in и нулю вольт. Чтобы избежать короткого замыкания питания постоянного тока, один выключатель должен выключиться до того, как включится другой. Нагрузка подключается от точки между двумя переключателями к точке между двумя конденсаторами. Когда переключатель А включен, а выключатель В выключен, нагрузка подключена к входу V и имеет положительное напряжение 1/2 В на входе относительно заземления переменного тока. Когда переключатель А выключен, а переключатель В включен, нагрузка подключена к нулю вольт и имеет отрицательное напряжение 1/2 В на входе относительно заземления переменного тока. Поскольку этот процесс переключения повторяется, нагрузка попеременно имеет положительное и отрицательное напряжение на ней с амплитудой 1/2 В дюйма. В этом простом случае мощность переменного тока представляет собой прямоугольную волну. Теперь, когда основы однофазного инвертора разобрались, давайте продемонстрируем устройство, построив полумостовой инвертор постоянного тока в переменный с переключением прямоугольных волн, а затем понаблюдаем за его работой.

Во-первых, сконфигурируйте двухфункциональные генераторы для создания прямоугольных волн частотой 10 килогерц с колебанием от 0 до 10 вольт с коэффициентом заполнения 48%. Синхронизируйте выходы так, чтобы они были не по фазе на 180 градусов друг с другом. Каждый генератор функций независимо управляет одним из двух переключателей полевых транзисторов полумостового инвертора. Прямоугольная волна включает транзистор при высоком выходе и выключает его при низком выходе или нуле вольт. Поскольку коэффициент заполнения составляет 48%, оставшиеся 2% периода являются мертвым временем между включенными состояниями двух транзисторов. В течение этого времени выходы обоих генераторов сигналов низкие, что не позволяет транзисторам вести одновременно и предотвращает короткое замыкание источника постоянного тока. Подключите по одному каналу осциллографа к выходу каждого генератора функций. Затем подтвердите, что прямоугольные волны имеют ожидаемую амплитуду, частоту и коэффициент заполнения. Две прямоугольные волны также должны иметь противоположные фазы, чтобы одна была высокой, а другая низкой. Запишите экран прицела для последующего использования. Выключите выходы генератора функций, но оставьте генераторы включенными. Наконец, установите источник питания постоянного тока на положительные 15 Вольт, но не подключайте его к какой-либо схеме, затем выключите его.

Соберите инверторную цепь полумоста и используйте резистор 51 Ом для сопротивления нагрузки, нагрузки R. При выключенном источнике питания постоянного тока подключите его выход к входу инвертора VDC. Подключите дифференциальный пробник к R-нагрузке, чтобы измерить V, затем подключите обычный зонд зонда между высоким выходом, который является седьмым контактом, и землей. Установите масштабирование области в 10x, а масштабирование пробника в 20x. Масштабируйте все измерения соответствующим образом. Запишите масштабирование с помощью пробника и осциллографа, чтобы в дальнейшем учесть недостающие факторы. Подключите один выход генератора функций к высокому входу, который является контактом 10 и управляет переключением верхнего транзистора. Подключите заземление генератора функций к общей земле цепи. Подключите выход другого генератора функций к низкому входу, который является контактом 12 и управляет переключением нижнего транзистора. Подключите заземление другого генератора функций к общему заземлению цепи. Захват форм волн на выходе высокого и выходного напряжения и измерение выходного напряжения, амплитуды и частоты. Запишите показания тока и напряжения на источнике питания постоянного тока. Повторите измерения с входной частотой пять килогерц и наблюдайте за разницей в форме выходной волны переменного тока. Наконец, выключите источник питания постоянного тока и отсоедините функциональные генераторы от цепи.

Выходное напряжение этого полумостового инвертора представляет собой прямоугольную волну с амплитудой 1/2 В постоянного тока и некоторым мертвым временем, в результате чего выходное напряжение равно нулю в течение примерно 4% периода переключения. Прямоугольные инверторы имеют высокие суммарные гармонические искажения и редко используются в реальных приложениях. Тем не менее, они являются строительными блоками многих более совершенных инверторов с лучшими схемами переключения, такими как синусоидальная широтно-импульсная модуляция. Эти более сложные методы не только уменьшают общие гармонические искажения, но и снижают требования к фильтрации нежелательных гармоник в выходном напряжении переменного тока.

Инверторы обычно используются на стыке между доступной электроэнергией постоянного тока и приложениями переменного тока, оборудованием и машинами. Большие лучи солнечных батарей в настоящее время производят энергию во многих районах и вносят свой вклад в местную электрическую сеть. Однако солнечные батареи производят энергию постоянного тока, а инверторы используются для преобразования ее в энергию переменного тока с нужным напряжением и частотой для сети. Многие машины используют питание переменного тока, но не на фиксированном 120 В RMS и частоте 60 Гц от основного источника. Частота вращения ротора асинхронного двигателя, например, зависит от частоты тока, приводящего его в движение. Частотно-регулируемые приводы используют преобразование переменного тока в постоянный для выработки внутренней мощности постоянного тока. Инверторы, в свою очередь, используют эту мощность постоянного тока для выработки переменного тока с регулируемым напряжением и частотой, что позволяет контролировать скорость и крутящий момент асинхронного двигателя.

Вы только что посмотрели представление Юпитера об однофазных инверторах. Теперь вы должны понять основы преобразования постоянного тока в переменный и то, как частота выходного напряжения переменного тока может быть отрегулирована путем изменения частоты переключения. Спасибо за просмотр.