Overview
출처: 알리 바지, 코네티컷 대학교 전기 공학학과, 스토스, CT.
DC 전력은 단방향이며 한 방향으로 흐르지만 AC 전류는 50-60 Hz의 주파수로 방향을 번갈아 가며 방향을 대체합니다. 대부분의 일반적인 전자 장치는 AC 전원이 실행되도록 설계되었습니다. 따라서 입력 DC 소스는 AC로 반전되어야 합니다. 인버터는 스위칭 기간의 일부에 대한 출력 또는 부하 측에서 입력 DC 소스의 극성을 반복적으로 뒤집는 스위칭 동작을 통해 DC 전압을 AC로 변환합니다. 일반적인 전원 인버터는 안정적인 DC 전원 입력이 필요하며, 기계 또는 전자기 스위치를 사용하여 반복적으로 전환됩니다. 출력은 회로 설계 및 사용자 요구에 따라 사파, 사네파 또는 사내파의 변형일 수 있습니다.
이 실험의 목적은 DC/AC 하프 브리지 인버터의 작동을 구축하고 분석하는 것입니다. 하프 브리지 인버터는 DC/AC 인버터의 가장 간단한 형태이지만 H-브리지, 3상 및 다단계 인버터의 빌딩 블록입니다. 스퀘어 웨이브 스위칭은 단순하게 여기에서 연구되지만 부비동 펄스 폭 변조 (SPWM) 및 기타 변조 및 스위칭 방식은 일반적으로 DC / AC 인버터에 사용됩니다.
Principles
인버터는 DC 입력 전압을 AC로 변환하는 방식으로 전환되는 스위칭 장치(1개, 2개, 4개, 6개 이상)로 구성됩니다. 스위치는 일반적으로 MOSFET, IGBT, SC 또는 다른 사람입니다.
하프 브리지 인버터는 AC 출력 전압을 /2에서최대 V로 제공하며 전체 브리지 인버터는 최대 V를 달성할 수 있습니다. 하프 브리지 인버터는 DC 입력과 병행하여 두 개의 커패시터가 필요하며, 각 V에서 /2에서전압 칸막이와 유사한 방식으로 전체 브리지에는 이러한 요구 사항이 없습니다. 하프 브리지 정류기는 두 개의 스위치를 사용하며, 풀 브리지는 4개의 스위치를 사용합니다.
많은 고급 인버터 토폴로지, 스위칭 방식 및 컨트롤러가 전력 전자 제품 문헌에 존재하지만, 하프 브리지는 대부분의 가장 기본적인 빌딩 블록입니다. 하프 브리지 인버터에서 입력 DC 소스는 동일한 커패시터 두 개를 사용하여 두 개의 반쪽으로 분할됩니다. 그런 다음 인버터는 상부 인버터 스위치가 켜지면 출력을 +Vdc/2에묶고 아래 인버터 스위치가 켜지면 -Vdc/2에연결될 수 있습니다. 두 스위치가 동시에 켜져서는 안 되며 하드웨어 또는 소프트웨어 회로를 사용하여 두 스위치가 모두 꺼져 있는 데드 타임이 추가되어야 합니다.
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Procedure
1. 소스 설정 전환
- 출력이 10kHz 주파수와 48%의 관세 비율로 출력된 두 개의 기능 발생기를 설정합니다.
- 함수 생성기는 출력 신호가 위상에서 180° 되도록 동기화되어야 합니다.
- 2% 데드 타임은 사파 출력의 각 측면에 1%로 사용됩니다. 데드 타임은 상부 및 하부 스위치가 모두 수행되므로 입력 DC 공급이 단락되는 촬영 스루 상태를 방지합니다.
- 기능 생성기의 출력이 오실로스코프 화면에서 관찰하여 예상대로 작동하는지 테스트합니다.
- 범위 화면을 캡처합니다.
- 함수 생성기 출력을 끄지만 발전기를 켜십시오.
- DC 전원 공급 장치를 15 V로 설정하고 회로에서 분리해제된 상태로 둡니다.
- 설정되면 끄십시오.
2. 하프 브리지 인버터
- 하프 브리지 인버터는 상하 MOSFET가 독립적으로 전환되어 테스트됩니다.
- 도 1에 표시된 회로를 빌드합니다.
- 51 Ω 저항기를 하중으로 사용합니다.
- 입력 VDC를 +15V에 연결합니다.
- DC 전원 공급 장치를 끄십시오.
- 일반 프로브를 하이아웃(HO)과 접지 간에 연결합니다.
- 부하에 분산 프로브를 연결하여 V를 측정합니다.
- 범위 배율이 10배이고 프로브 배율이 20배인지 확인합니다.
- 그에 따라 모든 측정을 확장하는 것을 잊지 마십시오.
- 부하에 분산 프로브를 연결하여 V를 측정합니다.
- 하나의 함수 생성기 출력을 상위 MOSFET 스위칭을 제어하는 데 사용되는 하이인(HIN)에 연결합니다.
- 회로의 공통점에 접지를 연결합니다.
- 다른 함수 생성기 출력을 낮은 MOSFET 스위칭을 제어하는 데 사용되는 낮은 인(LIN)에 연결합니다.
- 파형을 캡처하고 출력 전압 피크 및 주파수를 측정합니다.
- DC 전원 공급 장치에 입력 전류 및 전압 판독값을 기록합니다.
- DC 전원 공급 장치를 끄고 회로에서 기능 발생기 출력을 분리합니다.
그림 1: 하프 브리지 설정
인버터는 DC 입력을 선택한 전압 및 주파수에서 AC 출력으로 변환하는 전기 장치로 DC에서 AC 변환이라고 합니다. 예를 들어, 인버터는 태양전지와 전력망 사이의 인터페이스에 크게 사용되며, 태양전지에서 생성된 DC 전력은 그리드와 호환되기 위해 AC로 변환되어야 합니다. 또한 배터리에 에너지를 저장하는 무정전 전원 공급 장치에 필수적이지만 컴퓨터에 120 볼트 60 헤르츠 전력을 생산해야 합니다. 인버터는 DC 입력을 일련의 펄스로 잘라서 진동하는 파를 생성합니다. 여과의 양에 따라, 출력은 제곱파, 의사-죄파 또는 사인파일 수 있다. 이 비디오는 간단한 인버터의 기본 주체를 소개하고 간단한 회로에서 작동을 보여줍니다.
인버터의 입력은 일정한 DC 전압입니다. 인버터 회로에는 금속 산화물 필드 효과 트랜지스터, 절연 게이트 양극성 트랜지스터 또는 시계 또는 주파수 발생기의 제어 하에 실리콘 제어 직사각형과 같은 전자 스위치가 포함됩니다. 시계 신호가 스위치를 켜면 DC 입력이 잘리거나 극성이 뒤집히십시오. 이 프로세스를 통근이라고 합니다. 반복 된 도마는 일련의 펄스 또는 사각형 파도를 만듭니다. 시계 기간이 펄스 속도를 결정하기 때문에 인버터의 제어 주파수를 변경하면 그에 따라 출력 주파수가 변경됩니다. 펄스 폭 변조라고 하는 스위칭 유형은 사내파를 근사화하기 위해 필터링할 수 있는 다양한 폭의 펄스 스트림을 생성합니다. 기계와 전기 장비는 종종 제대로 작동하기 위해 부비동적으로 다양한 전압으로 전력을 필요로하기 때문에 펄스 폭 변조가 바람직하다. H-브리지, 3상 및 다단계 인버터와 같은 많은 인버터 토폴로지의 경우 하프 브리지 인버터는 기본 빌딩 블록입니다. 이 단순화 된 다이어그램의 하프 브리지 인버터는 전압 분배기 역할을하는 두 개의 동일한 커패시터에 DC 공급 V를 적용합니다. 커패시터는 동일한 값을 가지므로 단자 간에 동일한 전압을 가지며 둘 사이의 노드는 V in/2에 있습니다. 이 점은 하중의 AC 접지입니다. 하프 브리지 인버터는 두 개의 스위치를 계열로 사용하고 두 개의 비겹침 또는 위상 이외 클럭을 사용하여 둘 사이의 노드를 V 와 0 볼트에 번갈아 연결합니다. DC 전원의 단락을 피하려면 다른 스위치가 켜지기 전에 스위치가 꺼져야 합니다. 하중은 두 스위치 사이의 지점에서 두 커패시터 사이의 지점으로 연결됩니다. 스위치 A가 켜지고 B를 끄면 하중이 V에 연결되어 있으며 AC 지면을 기준으로 1/2 V의 양전압이 있습니다. 스위치 A가 꺼지고 B를 켜면 하중이 0 볼트에 연결되고 AC 지면에 비해 1/2 V의 음수 전압이 있습니다. 이 스위칭 프로세스가 반복됨에 따라 부하가 교대로 1/2 V의 진폭으로 양수 및 음수 전압을 가집니다. 이 간단한 경우 AC 전원은 사각형 파입니다. 이제 단일 단계 인버터의 기본 이설명되었으므로 DC를 사각형 웨이브 스위칭으로 AC 하프 브리지 인버터로 구축한 다음 작업을 관찰하여 장치를 시연해 보겠습니다.
먼저, 2기능 발전기를 구성하여 0~10볼트의 10킬로헤르츠 사각형 파도를 48%의 듀티 사이클로 생성한다. 출력을 180도 단계로 동기화하여 서로 위상을 벗어났습니다. 각 함수 생성기는 하프 브리지 인버터의 두 필드 효과 트랜지스터 스위치 중 하나를 독립적으로 제어합니다. 정사각형 파는 출력이 높을 때 트랜지스터를 켜고 출력이 낮거나 볼트가 0일 때 해제됩니다. 듀티 사이클은 48%이기 때문에, 나머지 2%의 기간은 두 트랜지스터의 상태 사이의 데드 타임입니다. 이 기간 동안 두 신호 발생기의 출력이 낮기 때문에 트랜지스터가 동시에 수행되지 못하게 하고 DC 공급의 단락을 방지합니다. 진동의 하나의 채널을 각 함수 생성기의 출력에 연결합니다. 그런 다음 제곱파도가 예상되는 진폭, 주파수 및 듀티 사이클을 가지고 있음을 확인합니다. 두 개의 사각형 파도는 반대 단계여야 하므로 다른 하나는 낮을 때 높이가 있어야 합니다. 이후 참조를 위해 범위 화면을 캡처합니다. 함수 생성기 출력을 끄지만 발전기를 켭니다. 마지막으로 DC 전원 공급 장치를 포지티브 15 볼트로 설정하지만 회로에 연결하지 않은 다음 끕니다.
하프 브리지 인버터 회로를 구축하고 하중 저항, R 하중에 대한 51 ohm 저항기를 사용합니다. DC 전원 공급 장치가 꺼져 출력을 인버터 입력 VDC에 연결합니다. R 하중에 분산 프로브를 연결하여 V 출력을 측정한 다음 핀 7과 접지인 하이아웃 간에 일반 범위 프로브를 연결합니다. 범위 배율을 10배로 설정하고 프로브 배율을 20배로 설정합니다. 그에 따라 모든 측정을 배율. 나중에 누락된 요인을 설명하기 위해 프로브 및 오실로스코프에서 스케일링을 기록합니다. 핀 10인 인에 하나의 함수 생성기출력을 연결하고 상부 트랜지스터의 전환을 제어합니다. 함수 생성기의 지면을 회로의 공통점에 연결합니다. 핀 12인 로우인에 다른 함수 생성기의 출력을 연결하고 하부 트랜지스터의 스위칭을 제어합니다. 다른 함수 생성기의 지면을 회로의 공통점에 연결합니다. 하이 아웃 및 V 아웃에서 웨이브 형태를 캡처하고 출력 전압, 진폭 및 주파수를 측정합니다. DC 전원 공급 장치에 전류 및 전압 판독값을 기록합니다. 5킬로헤르츠의 입력 주파수로 측정을 반복하고 출력 AC 파 형의 차이를 관찰한다. 마지막으로 DC 전원 공급 장치를 끄고 회로에서 기능 발생기를 분리합니다.
이 하프 브리지 인버터의 출력 전압은 1/2 VDC의 진폭과 일부 데드 타임으로 인해 스위칭 기간의 약 4 %에 대한 출력 전압이 0이 되는 사각 파입니다. 스퀘어 웨이브 인버터는 총 고조파 왜곡이 많으며 실제 응용 프로그램에서는 거의 사용되지 않습니다. 그러나 부비동 펄스 폭 변조와 같은 더 나은 스위칭 스키마를 가진 더 진보된 인버터의 빌딩 블록입니다. 이러한 보다 정교한 방법은 총 고조파 왜곡을 줄일 뿐만 아니라 AC 출력 전압에서 원치 않는 고조파에 대한 필터링 요구 사항을 용이하게 합니다.
인버터는 사용 가능한 DC 전력 및 AC 애플리케이션 장비 및 기계 류 사이의 인터페이스에 일반적으로 사용됩니다. 태양 전지의 큰 광선은 이제 많은 지역에서 전력을 생산하고 지역 전력망에 기여하고 있습니다. 그러나 태양 전지는 DC 전력을 생성하며 인버터는 그리드에 적합한 전압과 주파수로 AC 전력으로 변환하는 데 사용됩니다. 많은 기계가 AC 전력을 사용하지만, 기본 공급의 고정 된 120 볼트 RMS 및 60 헤르츠 주파수에서는 사용하지 않습니다. 유도 모터의 로터 속도는 예를 들어, 그것을 구동 전류의 주파수에 따라 달라집니다. 가변 주파수 드라이브는 AC에서 DC 변환을 사용하여 내부 DC 전력을 생성합니다. 인버터는 이 DC 전원을 사용하여 조정 가능한 전압 및 주파수로 AC 전력을 생성하여 유도 모터의 속도와 토크를 제어할 수 있습니다.
당신은 단상 인버터에 대한 Jove의 소개를 보았습니다. 이제 DC에서 AC 변환으로의 기본 사항과 스위칭 주파수를 변경하여 AC 출력의 빈도를 조정할 수 있는 방법을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.
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Results
이 하프 브리지 인버터를 구축하여 출력 전압 파형이 최대 V dc/2의 정사각형 파동과 최소 -Vdc/2의정사각형 파형으로 인해 출력 전압이 스위칭 기간의 약 4%에 대해 0이 될 것으로 예상됩니다.
스퀘어 웨이브 인버터는 총 고조파 왜곡(THD)을 가지고 있으며 실제 응용 분야에서는 거의 사용되지 않습니다. 이는 THD를 개선할 뿐만 아니라 50Hz 또는 60Hz와 같은 기본 고조파를 제외한 출력 전압에서 원치 않는 고조파에 대한 필터링 요구 사항을 줄입니다.
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Applications and Summary
인버터는 청정 에너지원(예: 태양광전지, 연료전지, 풍력 터빈) 및 에너지 저장 시스템(예: 배터리)과 그리드를 상호 결합하는 데 매우 일반적입니다. 이는 무정전 전원 공급 장치(UPS 시스템), 청정 에너지 침투가 가능한 마이크로 그리드, 하이브리드 및 전기 운송 시스템에 필수적입니다. 인버터의 주요 응용 분야 중 원하는 속도 및 / 또는 토크를 달성하기 위해 인버터 스위칭 패턴을 조정하여 모터 컨트롤을 제공 할 수있는 모터 드라이브에 있습니다.
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