Inversor monofásico

Electrical Engineering

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Overview

Fuente: Ali Bazzi, Departamento de ingeniería eléctrica, Universidad de Connecticut, Storrs, CT.

Alimentación de CC es unidireccional y fluye en una dirección, mientras que AC corriente alterna direcciones a una frecuencia de 50-60 Hz. Dispositivos electrónicos más comunes están diseñados para funcionar en corriente alterna; por lo tanto debe invertirse una fuente DC de entrada a inversores AC. convertir voltaje de C.C. a la CA a través de la acción que repetidamente invierte la polaridad de la fuente de DC de entrada en el lado de salida o de carga por parte de un período de conmutación la conmutación. Un típico inversor requiere una entrada de energía DC estable, que luego se cambia repetidamente con interruptores mecánicos o electromagnéticos. La salida puede ser una onda cuadrada, sinusoidal o una variación de una onda senoidal, dependiendo del diseño de circuito y las necesidades del usuario.

El objetivo de este experimento es construir y analizar el funcionamiento de los inversores de medio puente de DC/AC. Inversores de medio puente son la forma más simple de inversores DC/AC, pero son los pilares para puente H trifásico y niveles múltiples inversores. Cuadrado-agite la conmutación es estudiada aquí por simplicidad, pero modulación de ancho de pulso sinusoidal (SPWM) y otra modulación y conmutación de sistemas se suelen utilizar en inversores DC/AC.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Ingeniería eléctrica. Inversor monofásico. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

Los inversores consisten en dispositivos (uno, dos, cuatro, seis o más) que se cambian de manera que convierte un voltaje de entrada DC a AC de la conmutación. Los interruptores suelen ser MOSFETs, IGBTs, SCRs u otros.

El inversor de medio puente proporciona un voltaje de salida CA con un máximo de Ven2, mientras que el inversor de puente completo puede alcanzar un máximo de Ven. El inversor de medio puente requiere dos condensadores en paralelo con la entrada de C.C. a partir de la entrada en dos mitades, cada una en Ven2 de manera similar a un divisor de tensión, mientras que el puente completo no tiene este requisito. El medio puente rectificador utiliza dos interruptores, mientras que el puente completo utiliza cuatro interruptores.

Muchas avanzadas topologías de convertidor, cambio de planes y los controladores existen en la literatura de la electrónica de potencia, pero el medio puente es la más fundamental de la mayoría de ellos. En un inversor de medio puente, la fuente de DC de entrada se divide en dos mitades usando dos condensadores idénticos de capacidad igual. El inversor entonces puede atar la salida + Vdc2 cuando el interruptor del inversor de la parte superior y -Vdc2 cuando el interruptor inversor inferior está encendido. Ambos interruptores no deberían estar al mismo tiempo, y tiempo muerto cuando ambos son de debe agregar mediante circuitos de hardware o software.

Procedure

1. instalación de fuente de conmutación

  1. Establecer dos generadores de funciones con salidas como cuadrado-agita en proporción de 10 kHz frecuencia y 48% deber.
    1. Los generadores de función deben estar sincronizados para que sus señales de salida están 180° fuera de fase.
    2. El tiempo muerto de 2% se utiliza como 1% a cada lado de la salida de onda cuadrada. Tiempo muerto evita una condición a través de brotes donde los interruptores superiores e inferiores están llevando a cabo así un cortocircuito a la entrada de voltaje DC.
  2. Prueba que salidas de los generadores de funciones como se esperaba, observando en la pantalla del osciloscopio.
    1. Capturar la pantalla de alcance.
  3. Activar las salidas del generador de función apagado pero dejan los generadores propios.
  4. Ajuste la fuente de alimentación a 15 V y dejar desconectado de cualquier circuito.
    1. Vuelta de una vez que se establece.

2. inversor de medio puente de

  1. El inversor de medio puente se prueba con el MOSFET superiores e inferiores conectados independientemente.
  2. Construir el circuito que se muestra en la Fig 1.
    1. Use la resistencia 51 Ω como la carga.
  3. Conecte la entrada Vdc + 15V.
    1. Mantenga la fuente de alimentación.
  4. Conecte una sonda regular entre alta (HO) y la tierra.
    1. Conecte una sonda diferencial a través de la carga a medir hacia fuera.
      1. Asegúrese de que la escala de alcance es de 10 X y sonda escala 20 X.
      2. No te olvides de escala todas las medidas en consecuencia.
  5. Conecte una salida del generador función a alto-en (HIN) que se utiliza para el control de conmutación de MOSFET superior.
    1. Conecte su tierra a la tierra común del circuito.
    2. Conecte el otro generador de funciones de salida a baja en (LIN) que se utiliza para el control de conmutación de MOSFET inferior.
  6. Capturar las formas de onda y medir el pico del voltaje de salida y la frecuencia.
  7. Apunte la corriente de entrada y las lecturas de voltaje en la fuente de alimentación.
  8. Apagar la alimentación DC y desconectar el generador de funciones de salida del circuito.

Figure 1
Figura 1 : Configuración de medio puente

Un inversor es un dispositivo eléctrico que transforma un entrada a una salida de CA a un seleccionado de la tensión y frecuencia, un proceso llamado C.C. a la conversión de AC DC. Por ejemplo, inversores se utilizan mucho en la interfase entre las células solares y la red eléctrica, donde CC generado a partir de la célula solar debe convertirse a AC para que sea compatible con la red. También son esenciales en las fuentes de alimentación ininterrumpida que almacenan energía en una batería, pero deben producir 120 voltios 60 hertz energía para equipos. Un inversor opera cortando la entrada de C.C. en una serie de pulsos para crear una onda oscilante. Dependiendo de la cantidad de filtrado, la salida puede ser una onda cuadrada, una onda pseudo-senoidal o una onda sinusoidal. Este video se introduce los principios básicos de un simple inversor y demostrar su funcionamiento en un circuito simple.

La entrada de un inversor es un voltaje de DC constante. Un circuito inversor incluye interruptores electrónicos como transistores de efecto campo de óxido metálico, transistores bipolares de puerta aislada o rectificadores de silicio controlado bajo el control de un generador de reloj o frecuencia. Cuando un interruptor se enciende la señal de reloj, la entrada de CC es picada o su polaridad se voltea. Este proceso se denomina conmutación. Picar repetido crea una serie de pulsos u ondas cuadradas. Porque el período de reloj determina la frecuencia del pulso, cambiar la frecuencia del control de cambios la frecuencia de salida en consecuencia. Un tipo de cambio de modulación de anchura de pulso llamada produce un flujo de pulsos con anchuras variables que pueden ser filtradas para aproximar una onda sinusoidal. Modulación de anchura de pulso es deseable porque las máquinas y equipos eléctricos a menudo requieren energía con tensión sinusoidal variable para funcionar correctamente. Para las muchas topologías de inversor, como puente en H, tres fase y los inversores multiniveles, el inversor de medio puente es un elemento fundamental. El inversor de medio puente en este esquema simplificado aplica su fuente V en a través de dos condensadores idénticos en serie, que actúan como un divisor de tensión. Dado que los condensadores tienen el mismo valor, tienen el mismo voltaje en sus terminales y los nodos entre ellos está en V en/2. Este punto es la toma de tierra para la carga. El inversor de medio puente utiliza dos interruptores en serie y dos relojes no superpuestos o fuera de fase y alternativamente Conecte el nodo entre ellos a V en cero voltios. Para evitar un corto circuito de la C.C. debe desactivar un interruptor antes que el otro uno se enciende. La carga es conectada desde el punto entre los dos interruptores al punto entre los dos condensadores. Cuando el interruptor A y el interruptor B está apagado, la carga está conectada a V en y tiene un voltaje positivo de 1/2 V en a través de ella, en relación con la toma de tierra. Cuando el interruptor está apagado y el interruptor B está en, la carga está conectada a cero voltios y tiene un voltaje negativo de 1/2 V en a través de ella en relación con la toma de tierra. Como este proceso de conmutación se repite la carga alternativamente tiene voltaje positivo y negativo a través de ella con amplitud de 1/2 V en. En este caso simple, la corriente alterna es una onda cuadrada. Ahora que se han explicado los fundamentos de un inversor monofásico, vamos a demostrar el dispositivo edificio un DC a AC inversor de medio puente con Plaza de la conmutación de la onda y luego observar su funcionamiento.

En primer lugar, configurar la función de dos generadores para producir ondas cuadradas de 10 kilohercios oscilante de 0 a 10 voltios con un ciclo de trabajo de 48%. Sincronizar las salidas para ser 180 grados fuera de fase con uno a. Cada generador de funciones independientemente controla uno de los interruptores de transistor de efecto de dos campo del inversor medio puente. La onda cuadrada vuelve el transistor cuando la salida es alta y lo apaga cuando la salida es baja o cero voltios. Porque el ciclo de trabajo es de 48%, el restante 2% del periodo es tiempo muerto entre los Estados de los dos transistores. Durante este tiempo las salidas de ambos generadores de señal son bajas, previniendo los transistores de llevar a cabo simultáneamente y evitando un corto circuito de la fuente de DC. Conecte un canal del osciloscopio a la salida de cada generador de funciones. Luego confirman que las ondas cuadradas tienen la esperada amplitud, frecuencia y ciclos de trabajo. Las dos ondas cuadradas deben tener fases opuestas por lo que uno es alta mientras que el otro es baja. Capturar la pantalla alcance para futuras referencias. Apaga las salidas del generador de función pero deja los generadores en. Por último, establecer la fuente de alimentación de 15 voltios positivos pero no conectarlo a cualquier circuito, luego lo apague.

Construir el circuito inversor de medio puente y utilizar una resistencia de 51 ohmios de la resistencia de carga, carga R. Con la fuente de alimentación apagada, conecte su salida a la entrada del inversor VDC. Conectar una sonda diferencial a través de la carga de R para medir V a, luego conecte una sonda alcance regular entre alta hacia fuera, que es el pin 7 y tierra. Establecer el alcance a 10 x y la sonda a 20 x. Escala todas las medidas en consecuencia. Registrar la escala de la sonda y el osciloscopio para explicar factores que falta más adelante. Conecte la salida de un generador a alto, que es el pin 10 y controla la conmutación del transistor superior. Conectar toma de tierra de generador de funciones a una masa común del circuito. Conecte la otra función de salida del generador a baja en, que es el pin 12 y controla la conmutación del transistor inferior. Conectar toma de tierra de la otra función del generador a una masa común del circuito. Captura de las formas de onda en alta y en V hacia fuera y medición el voltaje de la salida, la amplitud y frecuencia. Registrar las lecturas de corriente y voltaje en la fuente de alimentación. Repita las mediciones con una frecuencia de entrada de cinco kilohertz y observar la diferencia en la forma de onda de salida AC. Por último, la fuente de alimentación y desconecte los generadores de función del circuito.

La tensión de salida de este inversor de medio puente es una onda cuadrada con una amplitud de 1/2 VCC y un tiempo muerto que causan la tensión de salida a cero alrededor del 4% del período de conmutación. Inversores de onda cuadrada tienen alta distorsión armónica total y raramente se utilizan en aplicaciones reales. Sin embargo, son los pilares de muchos inversores más avanzados con mejor cambio de planes, como modulación de ancho de pulso sinusoidal. Estos métodos más sofisticados no sólo reducen la distorsión armónica total, sino también facilitan requisitos de filtrado de armónicos no deseados en la tensión de salida.

Los inversores se utilizan en la interfaz entre la potencia disponible de la DC y AC aplicaciones equipos y maquinaria. Los radios grandes de las células solares están produciendo energía en muchas áreas y contribuyan a la red eléctrica local. Las células solares producen corriente continua sin embargo, y los inversores se utilizan para transformar a la energía de CA con el voltaje y frecuencia adecuados para la red. Muchas máquinas utilizan corriente alterna, pero no en los 120 v RMS y 60 Hz frecuencia de las principales fuente. La velocidad del rotor de un motor de inducción, por ejemplo, depende de la frecuencia de la corriente de conducción. Variadores de frecuencia utilizan AC a la conversión de DC para generar corriente interna. Inversores a su vez utilizan esta corriente continua para generar corriente alterna con tensión ajustable y frecuencia, que permite el control de velocidad y par del motor de inducción.

Sólo ha visto la introducción de Zeus a los inversores monofásicos. Ahora debe comprender los fundamentos de la C.C. a la conversión de la CA y cómo la frecuencia de la salida de la CA se puede ajustar cambiando la frecuencia de conmutación. Gracias por ver.

Results

Se espera desde la construcción de este inversor de medio puente que la forma de onda del voltaje de salida es una onda cuadrada con un máximo de Vdc2 y un mínimo de -Vdc2 con algunos tiempos muertos causando la tensión de salida sea cero para alrededor del 4% de el período de conmutación.

Inversores de onda cuadrada alta distorsión armónica total (THD) y raramente se utilizan en aplicaciones reales, sin embargo, son los pilares de muchos inversores más avanzados con mejor cambiar esquemas, por ejemplo SPWM, que puede proporcionar una salida sinusoidal como más tensiones. Esto no sólo mejora el THD, pero también reduce los requerimientos de filtrado de armónicos no deseados en la tensión de salida excepto el armónico fundamental, por ejemplo, en 50 o 60 Hz.

Applications and Summary

Los inversores son muy comunes en interconexión de fuentes de energía limpias, e, g, energía solar fotovoltaica, pilas de combustible, turbinas de viento, así como con sistemas de almacenamiento de energía, por ejemplo, las baterías, con la red. Son esenciales en las fuentes de alimentación ininterrumpibles (sistemas UPS), en micro redes con penetración de energías limpias y en híbridos y sistemas de transporte eléctrico. Entre las principales aplicaciones de los inversores está en unidades de motor, donde se puede proporcionar control del motor ajustando el inversor patrones para lograr la velocidad deseada o esfuerzo de torsión de la conmutación.

1. instalación de fuente de conmutación

  1. Establecer dos generadores de funciones con salidas como cuadrado-agita en proporción de 10 kHz frecuencia y 48% deber.
    1. Los generadores de función deben estar sincronizados para que sus señales de salida están 180° fuera de fase.
    2. El tiempo muerto de 2% se utiliza como 1% a cada lado de la salida de onda cuadrada. Tiempo muerto evita una condición a través de brotes donde los interruptores superiores e inferiores están llevando a cabo así un cortocircuito a la entrada de voltaje DC.
  2. Prueba que salidas de los generadores de funciones como se esperaba, observando en la pantalla del osciloscopio.
    1. Capturar la pantalla de alcance.
  3. Activar las salidas del generador de función apagado pero dejan los generadores propios.
  4. Ajuste la fuente de alimentación a 15 V y dejar desconectado de cualquier circuito.
    1. Vuelta de una vez que se establece.

2. inversor de medio puente de

  1. El inversor de medio puente se prueba con el MOSFET superiores e inferiores conectados independientemente.
  2. Construir el circuito que se muestra en la Fig 1.
    1. Use la resistencia 51 Ω como la carga.
  3. Conecte la entrada Vdc + 15V.
    1. Mantenga la fuente de alimentación.
  4. Conecte una sonda regular entre alta (HO) y la tierra.
    1. Conecte una sonda diferencial a través de la carga a medir hacia fuera.
      1. Asegúrese de que la escala de alcance es de 10 X y sonda escala 20 X.
      2. No te olvides de escala todas las medidas en consecuencia.
  5. Conecte una salida del generador función a alto-en (HIN) que se utiliza para el control de conmutación de MOSFET superior.
    1. Conecte su tierra a la tierra común del circuito.
    2. Conecte el otro generador de funciones de salida a baja en (LIN) que se utiliza para el control de conmutación de MOSFET inferior.
  6. Capturar las formas de onda y medir el pico del voltaje de salida y la frecuencia.
  7. Apunte la corriente de entrada y las lecturas de voltaje en la fuente de alimentación.
  8. Apagar la alimentación DC y desconectar el generador de funciones de salida del circuito.

Figure 1
Figura 1 : Configuración de medio puente

Un inversor es un dispositivo eléctrico que transforma un entrada a una salida de CA a un seleccionado de la tensión y frecuencia, un proceso llamado C.C. a la conversión de AC DC. Por ejemplo, inversores se utilizan mucho en la interfase entre las células solares y la red eléctrica, donde CC generado a partir de la célula solar debe convertirse a AC para que sea compatible con la red. También son esenciales en las fuentes de alimentación ininterrumpida que almacenan energía en una batería, pero deben producir 120 voltios 60 hertz energía para equipos. Un inversor opera cortando la entrada de C.C. en una serie de pulsos para crear una onda oscilante. Dependiendo de la cantidad de filtrado, la salida puede ser una onda cuadrada, una onda pseudo-senoidal o una onda sinusoidal. Este video se introduce los principios básicos de un simple inversor y demostrar su funcionamiento en un circuito simple.

La entrada de un inversor es un voltaje de DC constante. Un circuito inversor incluye interruptores electrónicos como transistores de efecto campo de óxido metálico, transistores bipolares de puerta aislada o rectificadores de silicio controlado bajo el control de un generador de reloj o frecuencia. Cuando un interruptor se enciende la señal de reloj, la entrada de CC es picada o su polaridad se voltea. Este proceso se denomina conmutación. Picar repetido crea una serie de pulsos u ondas cuadradas. Porque el período de reloj determina la frecuencia del pulso, cambiar la frecuencia del control de cambios la frecuencia de salida en consecuencia. Un tipo de cambio de modulación de anchura de pulso llamada produce un flujo de pulsos con anchuras variables que pueden ser filtradas para aproximar una onda sinusoidal. Modulación de anchura de pulso es deseable porque las máquinas y equipos eléctricos a menudo requieren energía con tensión sinusoidal variable para funcionar correctamente. Para las muchas topologías de inversor, como puente en H, tres fase y los inversores multiniveles, el inversor de medio puente es un elemento fundamental. El inversor de medio puente en este esquema simplificado aplica su fuente V en a través de dos condensadores idénticos en serie, que actúan como un divisor de tensión. Dado que los condensadores tienen el mismo valor, tienen el mismo voltaje en sus terminales y los nodos entre ellos está en V en/2. Este punto es la toma de tierra para la carga. El inversor de medio puente utiliza dos interruptores en serie y dos relojes no superpuestos o fuera de fase y alternativamente Conecte el nodo entre ellos a V en cero voltios. Para evitar un corto circuito de la C.C. debe desactivar un interruptor antes que el otro uno se enciende. La carga es conectada desde el punto entre los dos interruptores al punto entre los dos condensadores. Cuando el interruptor A y el interruptor B está apagado, la carga está conectada a V en y tiene un voltaje positivo de 1/2 V en a través de ella, en relación con la toma de tierra. Cuando el interruptor está apagado y el interruptor B está en, la carga está conectada a cero voltios y tiene un voltaje negativo de 1/2 V en a través de ella en relación con la toma de tierra. Como este proceso de conmutación se repite la carga alternativamente tiene voltaje positivo y negativo a través de ella con amplitud de 1/2 V en. En este caso simple, la corriente alterna es una onda cuadrada. Ahora que se han explicado los fundamentos de un inversor monofásico, vamos a demostrar el dispositivo edificio un DC a AC inversor de medio puente con Plaza de la conmutación de la onda y luego observar su funcionamiento.

En primer lugar, configurar la función de dos generadores para producir ondas cuadradas de 10 kilohercios oscilante de 0 a 10 voltios con un ciclo de trabajo de 48%. Sincronizar las salidas para ser 180 grados fuera de fase con uno a. Cada generador de funciones independientemente controla uno de los interruptores de transistor de efecto de dos campo del inversor medio puente. La onda cuadrada vuelve el transistor cuando la salida es alta y lo apaga cuando la salida es baja o cero voltios. Porque el ciclo de trabajo es de 48%, el restante 2% del periodo es tiempo muerto entre los Estados de los dos transistores. Durante este tiempo las salidas de ambos generadores de señal son bajas, previniendo los transistores de llevar a cabo simultáneamente y evitando un corto circuito de la fuente de DC. Conecte un canal del osciloscopio a la salida de cada generador de funciones. Luego confirman que las ondas cuadradas tienen la esperada amplitud, frecuencia y ciclos de trabajo. Las dos ondas cuadradas deben tener fases opuestas por lo que uno es alta mientras que el otro es baja. Capturar la pantalla alcance para futuras referencias. Apaga las salidas del generador de función pero deja los generadores en. Por último, establecer la fuente de alimentación de 15 voltios positivos pero no conectarlo a cualquier circuito, luego lo apague.

Construir el circuito inversor de medio puente y utilizar una resistencia de 51 ohmios de la resistencia de carga, carga R. Con la fuente de alimentación apagada, conecte su salida a la entrada del inversor VDC. Conectar una sonda diferencial a través de la carga de R para medir V a, luego conecte una sonda alcance regular entre alta hacia fuera, que es el pin 7 y tierra. Establecer el alcance a 10 x y la sonda a 20 x. Escala todas las medidas en consecuencia. Registrar la escala de la sonda y el osciloscopio para explicar factores que falta más adelante. Conecte la salida de un generador a alto, que es el pin 10 y controla la conmutación del transistor superior. Conectar toma de tierra de generador de funciones a una masa común del circuito. Conecte la otra función de salida del generador a baja en, que es el pin 12 y controla la conmutación del transistor inferior. Conectar toma de tierra de la otra función del generador a una masa común del circuito. Captura de las formas de onda en alta y en V hacia fuera y medición el voltaje de la salida, la amplitud y frecuencia. Registrar las lecturas de corriente y voltaje en la fuente de alimentación. Repita las mediciones con una frecuencia de entrada de cinco kilohertz y observar la diferencia en la forma de onda de salida AC. Por último, la fuente de alimentación y desconecte los generadores de función del circuito.

La tensión de salida de este inversor de medio puente es una onda cuadrada con una amplitud de 1/2 VCC y un tiempo muerto que causan la tensión de salida a cero alrededor del 4% del período de conmutación. Inversores de onda cuadrada tienen alta distorsión armónica total y raramente se utilizan en aplicaciones reales. Sin embargo, son los pilares de muchos inversores más avanzados con mejor cambio de planes, como modulación de ancho de pulso sinusoidal. Estos métodos más sofisticados no sólo reducen la distorsión armónica total, sino también facilitan requisitos de filtrado de armónicos no deseados en la tensión de salida.

Los inversores se utilizan en la interfaz entre la potencia disponible de la DC y AC aplicaciones equipos y maquinaria. Los radios grandes de las células solares están produciendo energía en muchas áreas y contribuyan a la red eléctrica local. Las células solares producen corriente continua sin embargo, y los inversores se utilizan para transformar a la energía de CA con el voltaje y frecuencia adecuados para la red. Muchas máquinas utilizan corriente alterna, pero no en los 120 v RMS y 60 Hz frecuencia de las principales fuente. La velocidad del rotor de un motor de inducción, por ejemplo, depende de la frecuencia de la corriente de conducción. Variadores de frecuencia utilizan AC a la conversión de DC para generar corriente interna. Inversores a su vez utilizan esta corriente continua para generar corriente alterna con tensión ajustable y frecuencia, que permite el control de velocidad y par del motor de inducción.

Sólo ha visto la introducción de Zeus a los inversores monofásicos. Ahora debe comprender los fundamentos de la C.C. a la conversión de la CA y cómo la frecuencia de la salida de la CA se puede ajustar cambiando la frecuencia de conmutación. Gracias por ver.

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