単相インバーター

Electrical Engineering

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Overview

ソース: アリ バッツィ、電気工学科大学コネチカット州ストーズ、ct 検査

DC 電源は一方向、AC 電流を交互に 50 ~ 60 Hz の周波数での方向に対し、一方向に流れます。最も一般的な電子機器は、AC 電源から実行されます。したがって入力 DC ソースは、繰り返し入力 DC ソース出力または負荷側の極性を反転切替周期の部分のアクションの切り替えを介して交流インバーター変換 AC DC 電圧を反転する必要があります。典型的な電源インバーターには、安定した DC 電源入力、繰り返し機械的または電磁スイッチを使用して、スイッチが必要です。出力は矩形波、正弦波または正弦波回路設計やユーザーのニーズに応じて変化することができます。

この実験の目的は、構築し、DC/AC ハーフ ブリッジ インバーターの動作分析です。ハーフ ブリッジ ・ インバーター直流・交流インバーターの最も単純な形式が H ブリッジ、三相、マルチレベルのインバーター用ビルディング ブロック。わかりやすくするため、ここで勉強は矩形波の切り替えが、正弦波パルス幅変調方式 (系統) と他の変調方式の切り替えが DC/AC インバーターに用いられます。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 電気工学. 単相インバーター. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

インバーター スイッチをスイッチして AC に DC 入力電圧を変換する方法 (1 つ、2 つ、4 つ、六つ、または複数) で構成されます。スイッチは、します通常 Mosfet や Igbt、サイリスタ。

ハーフ ブリッジ ・ インバーターは、フルブリッジ インバーターはVの最大値を達成することが一方の V2、最大 AC 出力電圧を提供します。ハーフ ブリッジ ・ インバーターには、それぞれV2 全橋がこの要件を持っていないしながら電圧ディバイダーと同様の方法で 2 つの半分に入力を分割する DC 入力と並行して 2 つのコンデンサーが必要です。ハーフ ブリッジ整流器は、フル ブリッジは 4 つのスイッチを使用して、2 つのスイッチを使用します。

多くはインバーター トポロジでは、スキームを切り替える高度なコント ローラーが電源電子文献の存在、ハーフ ブリッジは、それらのほとんどの最も基本的なビルディング ブロック。ハーフ ブリッジ ・ インバーターの入力 DC ソースは、同じ容量のコンデンサーを 2 個と同じ 2 つの半分に分割されます。インバーター、低いインバーター スイッチがオンのときVdc2 + Vdc2 上インバーター スイッチがオンのときに出力を結び付けることができます。同じ時期にならない両方のスイッチ ・ オフ両方が死んだ時は、ハードウェアまたはソフトウェアの回路を使用してを追加必要があります。

Procedure

1. スイッチング ソースのセットアップ

  1. 10 kHz の周波数および 48% のデューティ比でスクエア波として 2 つ関数発生器の出力を設定します。
    1. 関数発生器は、それぞれの出力信号が 180 ° 位相同期する必要があります。
    2. 2% のデッドタイムは、矩形波出力の各側に 1% として使用されます。デッド ・ タイムは、上限と下限の両方のスイッチがこうして短絡入力 DC 供給を行なっている貫通状態を防ぎます。
  2. 関数発生器の出力は、オシロ スコープのスクリーンにそれらを観察することによって期待するテストです。
    1. スコープ画面をキャプチャします。
  3. 関数発生器出力オフまま自身の発電機の電源を入れます。
  4. 15 V、任意の回路から外したまま DC 電源アダプターを設定します。
    1. 一度それが設定されて電源を入れます。

2. ハーフ ブリッジ ・ インバーター

  1. ハーフ ブリッジ ・ インバーターは、独立していない交換上限と下限の Mosfet を用いたテストされます。
  2. 図 1 に示した回路を構築します。
    1. 51 Ω 抵抗を負荷にしてください。
  3. 入力Vdc + 15 v に接続します。
    1. DC 電源をオフにしておきます。
  4. 高出力 (HO) と地面の間通常プローブを接続します。
    1. V測定する負荷の間で差動プローブを接続します。
      1. スコープ倍率 10 X、20 X は、プローブのスケールを確認します。
      2. すべての測定値をそれに応じてスケールすることを忘れないでください。
  5. 高速で (HIN) に上部 MOSFET のスイッチングを制御するために使用する 1 つの関数ジェネレーター出力を接続します。
    1. その地盤を回路の共通点に接続します。
    2. その他関数発生器で低出力 (LIN) 低い MOSFET のスイッチングを制御するために使用に接続します。
  6. 波形をキャプチャし、出力電圧と周波数を測定します。
  7. 入力電流と直流電源の電圧の測定値を記録します。
  8. 電源を切る、DC 電源は供給、回路から出力関数発生器を外します。

Figure 1
図 1: ハーフ ブリッジ セットアップ

インバーターは、入力選択した電圧および頻度、DC を AC 変換と呼ばれるプロセスで AC 出力から DC に変換する装置です。たとえば、インバーターは、太陽電池から生成される DC 電源にグリッドと互換性があるために AC に変換必要があります太陽電池と電気のグリッドの間のインターフェイスで使用される大きく。また、無停電電源装置、バッテリーに蓄電がコンピューターの 120 ボルト 60 ヘルツの電力を生成する必要がありますに不可欠です。インバーターで DC 入力を一連の振動波を作成するパルスを切り刻むことによって動作します。フィルタ リングの量によって、出力は方形波、擬似正弦波、または正弦波あります。このビデオは単純なインバーターの基本的な原則を紹介し、簡単な回路で動作をデモンストレーションします。

インバーターの入力が一定の直流電圧です。インバーター回路には、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 ・ トランジスタ時計や周波数発生器の制御下でのシリコン制御整流器など電子スイッチが含まれています。クロック信号が点灯スイッチ、DC 入力はみじん切り、またはその極性を反転します。このプロセスは、転流と呼ばれます。繰り返しチョッピング パルスまたは方形波のシリーズを作成します。クロック周期は、脈拍数を決定します、のでインバーターの制御周波数を変更する出力周波数をそれに応じて変わります。スイッチングと呼ばれるパルス幅変調の種類には、正弦波を近似するフィルター処理できるさまざまな幅のパルスのストリームが生成されます。機械および電気装置多くの場合正常に動作する電圧の正弦的に変化の力を必要とするため、パルス幅変調方式が望ましいです。H ブリッジ、3 つフェーズ マルチレベル インバーターなど、多くのインバーター トポロジのハーフ ブリッジ ・ インバーターは基本的なビルディング ブロックです。この簡略化された図でハーフ ブリッジ ・ インバーター適用の DC 供給 V シリーズは、電圧ディバイダーとして機能する同じコンデンサーを 2 個。コンデンサーの値が同じので端子部分の同じ電圧がある、それらの間のノードは V/2 です。この点は、負荷の AC グランドです。ハーフ ブリッジ ・ インバーターは、交互に V をそれらの間のノードを接続し、ボルトをゼロ シリーズおよび 2 つの非重複またはフェーズ クロックの 2 つのスイッチを使用します。DC のショートを避けるために 1 つの電源スイッチは、他の 1 つが点灯する前にオフする必要があります。負荷は、2 つのコンデンサーの間のポイントに 2 つのスイッチ間のポイントから接続されています。スイッチ A がオンとオフ スイッチ B は、負荷は V に接続されている、AC 地面を基準にして、それを渡って 1/2 V での肯定的な電圧には。スイッチ A がオフと、スイッチ B がオン負荷は 0 v に接続されている、AC 地面に関連してそれを渡って 1/2 V での否定的な電圧には。この切り替えのプロセスを繰り返すたびに負荷は、交互で 1/2 V の振幅を持つ、それを渡って正と負電圧をしました。この単純なケースでは、AC 電源は、方形波は。今では単相インバーターの基礎が説明されている正方形で AC ハーフ ブリッジ ・ インバーターに DC スイッチング、波し、オペレーションを観察する建物によってデバイスを実証しましょう。

まず、0 から 10 ボルトに振動する 48% のデューティ サイクル 10 キロヘルツ方形波を生成する 2 つ関数発生器を構成します。互いに位相が 180 度に出力を同期します。各ファンクション ・ ジェネレーター独立に制御ハーフ ブリッジ形インバーターの 2 つのフィールド効果トランジスタ スイッチの 1 つ。方形波は、トランジスタ出力が高いと、出力が低いまたはゼロのボルトをオフになります。デューティ サイクルは 48%、期間の残りの 2% は 2 つのトランジスタのオン状態の間死んでいる時間です。この時間の間に両方の信号発生器の出力が低く、同時に実施し、DC 電源の短絡を回避するからトランジスタを防止します。各ファンクション ・ ジェネレーターの出力にオシロ スコープの 1 つのチャネルに接続します。方形波が予想される振幅、周波数、デューティ サイクルであることを確認します。2 つの方形波は 1 つが高い他は低いので逆位相にも必要です。後で参照できるスコープ画面をキャプチャします。関数発生器の出力をオフにするが、発電機をつけっぱなし。最後に、正 15 ボルト DC 電源を設定はない任意の回路に接続をオフに。

ハーフ ブリッジ ・ インバーター回路や負荷抵抗 R 負荷の 51 ω の抵抗を使用してください。DC 電源はオフになって、その出力をインバーター入力 VDC に接続します。R 負荷、V を測定するために差動プローブを接続し、ピン 7、高出力とグランドの間通常スコープのプローブを接続します。10 倍、20 倍にスケーリング プローブ スケーリング範囲を設定します。すべての測定値をそれに応じてスケールします。後で不足している要素を考慮するためにプローブとオシロ スコープからスケーリングを記録します。高、ピン 10、し、上部のトランジスタのスイッチングを制御する 1 つの関数発生器の出力を接続します。関数発生器の地面を回路の共通点に接続します。他の関数発生器の出力を低接続、12、ピンし、下側のトランジスタのスイッチングを制御します。その他の関数発生器の地面を回路の共通点に接続します。高出力と V の波形を出力電圧、振幅、周波数測定でキャプチャ。DC 電源の電流と電圧の測定値を記録します。入力周波数が 5 キロ ヘルツの測定を繰り返し、出力 AC 波形の違いを確認します。最後に、DC 電源を切り、関数発生器を回路から切断します。

このハーフ ブリッジ形インバーターの出力電圧は、スイッチング期間の約 4% をゼロとする 1/2 VDC、出力電圧を引き起こすいくつかのデッドタイムの振幅の方形波です。矩形波インバーターは高合計の高調波歪みを持っているし、実際のアプリケーションで使用されるほとんど。しかし、彼らはより多くのより高度なインバーターのビルディング ブロック方式は、正弦波パルス幅変調などの切り替え。これらのより洗練された方法は、全高調波歪を低減するだけでなくも AC 出力電圧の不要な高調波フィルター要件を緩和します。

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と機械間のインターフェイスで使用されます。太陽電池の大型エイは今多くの地域の電力を生産している、ローカル電気グリッドに貢献。ただし、DC 電力を生成する太陽電池と適切な電圧と周波数グリッドの AC 電源に変換するインバーターが使われます。多くのマシンは、AC 電源を使用、メインの固定 120 ボルト RMS、60 ヘルツの周波数ではなく指定します。誘導電動機のローターの回転速度は、たとえば、それを駆動する電流の周波数に依存します。可変的な頻度ドライブは、内部の直流電源を生成するのに直流変換 AC を使用します。インバーターは、調節可能な電圧と周波数の誘導電動機の速度・ トルク制御を可能にする AC 電源を生成するのに順番この DC 電源を使用します。

単相インバーターのゼウスの概要を見てきただけ。今 AC 変換およびスイッチング周波数を変更することによって、交流出力の周波数を調整できる方法に DC の基本を理解する必要があります。見ていただきありがとうございます。

Results

それが予想されるからこのハーフ ブリッジ ・ インバーターを構築出力電圧波形は矩形波Vdc2 の最大と最小の約 4% をゼロとする出力電圧を引き起こすいくつかのデッド ・ タイム, Vdc2スイッチング期間。

しかし、彼らはより良い多くのより高度なインバーターのビルディング ブロックは、矩形波インバーター高全高調波歪み (THD) があるし、実際のアプリケーションで使用されるほとんどパターン、例えば系統を切り替えることができるより多くのような正弦波出力電圧。これは、THD を向上させるだけでなく、50 または 60 Hz で、例えば、基本波を除いて出力電圧の不要な高調波フィルター要件を減らします。

Applications and Summary

インバーターは、クリーンなエネルギー源、e、g、太陽光発電、燃料電池、風力タービンのインタ フェースだけでなくエネルギー貯蔵システム、例えば電池グリッドと非常に共通しています。無停電電源装置 (UPS システム)、クリーン エネルギーの普及とマイクロ グリッドとハイブリッドと電気輸送システムには欠かせない。インバーターの主な用途の中ではモータ駆動トルクおよび/または希望の速度を達成するためにパターンを切り替えるインバーターの調整でモータ制御を提供できます。

1. スイッチング ソースのセットアップ

  1. 10 kHz の周波数および 48% のデューティ比でスクエア波として 2 つ関数発生器の出力を設定します。
    1. 関数発生器は、それぞれの出力信号が 180 ° 位相同期する必要があります。
    2. 2% のデッドタイムは、矩形波出力の各側に 1% として使用されます。デッド ・ タイムは、上限と下限の両方のスイッチがこうして短絡入力 DC 供給を行なっている貫通状態を防ぎます。
  2. 関数発生器の出力は、オシロ スコープのスクリーンにそれらを観察することによって期待するテストです。
    1. スコープ画面をキャプチャします。
  3. 関数発生器出力オフまま自身の発電機の電源を入れます。
  4. 15 V、任意の回路から外したまま DC 電源アダプターを設定します。
    1. 一度それが設定されて電源を入れます。

2. ハーフ ブリッジ ・ インバーター

  1. ハーフ ブリッジ ・ インバーターは、独立していない交換上限と下限の Mosfet を用いたテストされます。
  2. 図 1 に示した回路を構築します。
    1. 51 Ω 抵抗を負荷にしてください。
  3. 入力Vdc + 15 v に接続します。
    1. DC 電源をオフにしておきます。
  4. 高出力 (HO) と地面の間通常プローブを接続します。
    1. V測定する負荷の間で差動プローブを接続します。
      1. スコープ倍率 10 X、20 X は、プローブのスケールを確認します。
      2. すべての測定値をそれに応じてスケールすることを忘れないでください。
  5. 高速で (HIN) に上部 MOSFET のスイッチングを制御するために使用する 1 つの関数ジェネレーター出力を接続します。
    1. その地盤を回路の共通点に接続します。
    2. その他関数発生器で低出力 (LIN) 低い MOSFET のスイッチングを制御するために使用に接続します。
  6. 波形をキャプチャし、出力電圧と周波数を測定します。
  7. 入力電流と直流電源の電圧の測定値を記録します。
  8. 電源を切る、DC 電源は供給、回路から出力関数発生器を外します。

Figure 1
図 1: ハーフ ブリッジ セットアップ

インバーターは、入力選択した電圧および頻度、DC を AC 変換と呼ばれるプロセスで AC 出力から DC に変換する装置です。たとえば、インバーターは、太陽電池から生成される DC 電源にグリッドと互換性があるために AC に変換必要があります太陽電池と電気のグリッドの間のインターフェイスで使用される大きく。また、無停電電源装置、バッテリーに蓄電がコンピューターの 120 ボルト 60 ヘルツの電力を生成する必要がありますに不可欠です。インバーターで DC 入力を一連の振動波を作成するパルスを切り刻むことによって動作します。フィルタ リングの量によって、出力は方形波、擬似正弦波、または正弦波あります。このビデオは単純なインバーターの基本的な原則を紹介し、簡単な回路で動作をデモンストレーションします。

インバーターの入力が一定の直流電圧です。インバーター回路には、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 ・ トランジスタ時計や周波数発生器の制御下でのシリコン制御整流器など電子スイッチが含まれています。クロック信号が点灯スイッチ、DC 入力はみじん切り、またはその極性を反転します。このプロセスは、転流と呼ばれます。繰り返しチョッピング パルスまたは方形波のシリーズを作成します。クロック周期は、脈拍数を決定します、のでインバーターの制御周波数を変更する出力周波数をそれに応じて変わります。スイッチングと呼ばれるパルス幅変調の種類には、正弦波を近似するフィルター処理できるさまざまな幅のパルスのストリームが生成されます。機械および電気装置多くの場合正常に動作する電圧の正弦的に変化の力を必要とするため、パルス幅変調方式が望ましいです。H ブリッジ、3 つフェーズ マルチレベル インバーターなど、多くのインバーター トポロジのハーフ ブリッジ ・ インバーターは基本的なビルディング ブロックです。この簡略化された図でハーフ ブリッジ ・ インバーター適用の DC 供給 V シリーズは、電圧ディバイダーとして機能する同じコンデンサーを 2 個。コンデンサーの値が同じので端子部分の同じ電圧がある、それらの間のノードは V/2 です。この点は、負荷の AC グランドです。ハーフ ブリッジ ・ インバーターは、交互に V をそれらの間のノードを接続し、ボルトをゼロ シリーズおよび 2 つの非重複またはフェーズ クロックの 2 つのスイッチを使用します。DC のショートを避けるために 1 つの電源スイッチは、他の 1 つが点灯する前にオフする必要があります。負荷は、2 つのコンデンサーの間のポイントに 2 つのスイッチ間のポイントから接続されています。スイッチ A がオンとオフ スイッチ B は、負荷は V に接続されている、AC 地面を基準にして、それを渡って 1/2 V での肯定的な電圧には。スイッチ A がオフと、スイッチ B がオン負荷は 0 v に接続されている、AC 地面に関連してそれを渡って 1/2 V での否定的な電圧には。この切り替えのプロセスを繰り返すたびに負荷は、交互で 1/2 V の振幅を持つ、それを渡って正と負電圧をしました。この単純なケースでは、AC 電源は、方形波は。今では単相インバーターの基礎が説明されている正方形で AC ハーフ ブリッジ ・ インバーターに DC スイッチング、波し、オペレーションを観察する建物によってデバイスを実証しましょう。

まず、0 から 10 ボルトに振動する 48% のデューティ サイクル 10 キロヘルツ方形波を生成する 2 つ関数発生器を構成します。互いに位相が 180 度に出力を同期します。各ファンクション ・ ジェネレーター独立に制御ハーフ ブリッジ形インバーターの 2 つのフィールド効果トランジスタ スイッチの 1 つ。方形波は、トランジスタ出力が高いと、出力が低いまたはゼロのボルトをオフになります。デューティ サイクルは 48%、期間の残りの 2% は 2 つのトランジスタのオン状態の間死んでいる時間です。この時間の間に両方の信号発生器の出力が低く、同時に実施し、DC 電源の短絡を回避するからトランジスタを防止します。各ファンクション ・ ジェネレーターの出力にオシロ スコープの 1 つのチャネルに接続します。方形波が予想される振幅、周波数、デューティ サイクルであることを確認します。2 つの方形波は 1 つが高い他は低いので逆位相にも必要です。後で参照できるスコープ画面をキャプチャします。関数発生器の出力をオフにするが、発電機をつけっぱなし。最後に、正 15 ボルト DC 電源を設定はない任意の回路に接続をオフに。

ハーフ ブリッジ ・ インバーター回路や負荷抵抗 R 負荷の 51 ω の抵抗を使用してください。DC 電源はオフになって、その出力をインバーター入力 VDC に接続します。R 負荷、V を測定するために差動プローブを接続し、ピン 7、高出力とグランドの間通常スコープのプローブを接続します。10 倍、20 倍にスケーリング プローブ スケーリング範囲を設定します。すべての測定値をそれに応じてスケールします。後で不足している要素を考慮するためにプローブとオシロ スコープからスケーリングを記録します。高、ピン 10、し、上部のトランジスタのスイッチングを制御する 1 つの関数発生器の出力を接続します。関数発生器の地面を回路の共通点に接続します。他の関数発生器の出力を低接続、12、ピンし、下側のトランジスタのスイッチングを制御します。その他の関数発生器の地面を回路の共通点に接続します。高出力と V の波形を出力電圧、振幅、周波数測定でキャプチャ。DC 電源の電流と電圧の測定値を記録します。入力周波数が 5 キロ ヘルツの測定を繰り返し、出力 AC 波形の違いを確認します。最後に、DC 電源を切り、関数発生器を回路から切断します。

このハーフ ブリッジ形インバーターの出力電圧は、スイッチング期間の約 4% をゼロとする 1/2 VDC、出力電圧を引き起こすいくつかのデッドタイムの振幅の方形波です。矩形波インバーターは高合計の高調波歪みを持っているし、実際のアプリケーションで使用されるほとんど。しかし、彼らはより多くのより高度なインバーターのビルディング ブロック方式は、正弦波パルス幅変調などの切り替え。これらのより洗練された方法は、全高調波歪を低減するだけでなくも AC 出力電圧の不要な高調波フィルター要件を緩和します。

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と機械間のインターフェイスで使用されます。太陽電池の大型エイは今多くの地域の電力を生産している、ローカル電気グリッドに貢献。ただし、DC 電力を生成する太陽電池と適切な電圧と周波数グリッドの AC 電源に変換するインバーターが使われます。多くのマシンは、AC 電源を使用、メインの固定 120 ボルト RMS、60 ヘルツの周波数ではなく指定します。誘導電動機のローターの回転速度は、たとえば、それを駆動する電流の周波数に依存します。可変的な頻度ドライブは、内部の直流電源を生成するのに直流変換 AC を使用します。インバーターは、調節可能な電圧と周波数の誘導電動機の速度・ トルク制御を可能にする AC 電源を生成するのに順番この DC 電源を使用します。

単相インバーターのゼウスの概要を見てきただけ。今 AC 変換およびスイッチング周波数を変更することによって、交流出力の周波数を調整できる方法に DC の基本を理解する必要があります。見ていただきありがとうございます。

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