Inversor de fase única

Um inversor é um dispositivo elétrico que transforma uma entrada DC em uma saída CA em uma tensão e frequência selecionadas, um processo chamado conversão DC para AC. Por exemplo, os inversores são fortemente usados na interface entre células solares e a rede elétrica, onde a energia DC gerada a partir da célula solar deve ser convertida em AC para ser compatível com a rede. Eles também são essenciais em fontes de alimentação ininterruptas que armazenam energia em uma bateria, mas devem produzir 120 Volt 60 hertz de energia para computadores. Um inversor opera cortando sua entrada DC em uma série de pulsos para criar uma onda oscilante. Dependendo da quantidade de filtragem, a saída pode ser uma onda quadrada, uma onda pseudo-seno ou uma onda seno. Este vídeo introduzirá os princípios básicos de um simples inversor e demonstrará seu funcionamento em um circuito simples.

A entrada de um inversor é uma tensão DC constante. Um circuito inversor inclui interruptores eletrônicos, como transistores de efeito de campo de óxido de metal, transistores bipolares de portão isolado ou retificadores controlados por silício sob o controle de um relógio ou gerador de frequência. Quando o sinal do relógio liga um interruptor, a entrada DC é cortada ou sua polaridade é invertida. Esse processo é chamado de comutação. O corte repetido cria uma série de pulsos ou ondas quadradas. Como o período do relógio determina a taxa de pulso, alterar a frequência de controle do inversor altera a frequência de saída de acordo. Um tipo de comutação chamada modulação de largura de pulso produz um fluxo de pulsos com larguras variadas que podem ser filtradas para aproximar uma onda seno. A modulação da largura do pulso é desejável porque máquinas e equipamentos elétricos muitas vezes requerem energia com tensão sinuosamente variada para operar corretamente. Para as muitas topologias de inversores, como h-bridge, invertedores de três fases e multinários, o inversor de meia ponte é um bloco de construção fundamental. O inversor de meia ponte neste diagrama simplificado aplica seu fornecimento DC V em dois capacitores idênticos em série, que atuam como um divisor de tensão. Como os capacitores têm o mesmo valor, eles têm a mesma tensão em seus terminais e o nó entre eles está em V in/2. Este ponto é o solo CA para a carga. O inversor de meia ponte usa dois interruptores em série e dois relógios não sobrepostos ou fora de fase para conectar alternadamente o nó entre eles a V e zero Volts. Para evitar um curto-circuito da alimentação DC, um interruptor deve desligar antes que o outro se ligue. A carga é conectada desde o ponto entre os dois interruptores até o ponto entre os dois capacitores. Quando o interruptor A está ligado e o interruptor B está desligado, a carga é conectada a V e tem uma tensão positiva de 1/2 V em todo o solo, em relação ao solo CA. Quando o interruptor A está desligado e o interruptor B está ligado, a carga é conectada a volts zero e tem uma tensão negativa de 1/2 V em todo o solo ca. À medida que este processo de comutação se repete, a carga alternadamente tem tensão positiva e negativa através dele com amplitude de 1/2 V dentro. Neste caso simples, o poder CA é uma onda quadrada. Agora que o básico de um inversor de fase única foi explicado, vamos demonstrar o dispositivo construindo um inversor de meia ponte DC para AC com comutação de onda quadrada, e então observar seu funcionamento.

Primeiro, configure geradores de duas funções para produzir ondas quadradas de 10 quilohertz oscilando de 0 a 10 Volts com um ciclo de 48% de serviço. Sincronizar as saídas a 180 graus fora de fase entre si. Cada gerador de função controla independentemente um dos dois interruptores transistores de efeito de campo do inversor de meia ponte. A onda quadrada liga o transistor quando a saída está alta e desliga-a quando a saída é baixa ou zero Volts. Como o ciclo de serviço é de 48%, os 2% restantes do período são tempo de morte entre os estados dos dois transistores. Durante este tempo, as saídas de ambos os geradores de sinal são baixas, impedindo que os transistores conduzam simultaneamente e evitando um curto-circuito no fornecimento de DC. Conecte um canal de um osciloscópio à saída de cada gerador de função. Em seguida, confirme que as ondas quadradas têm a amplitude esperada, frequência e ciclo de dever. As duas ondas quadradas também devem ter fases opostas, por isso uma é alta, enquanto a outra é baixa. Capture a tela de escopo para referência posterior. Desligue as saídas do gerador de função, mas deixe os geradores ligados. Finalmente, defina a fonte de alimentação DC para 15 Volts positivos, mas não conecte-a a nenhum circuito e, em seguida, desligue-a.

Construa o circuito inversor de meia ponte e use um resistor de 51 ohm para a resistência à carga, carga R. Com a fonte de alimentação DC desligada, conecte sua saída à entrada do inversor VDC. Conecte uma sonda diferencial através da carga R para medir V para fora, em seguida, conecte uma sonda de escopo regular entre o alto para fora, que é o pino sete, e o solo. Defina o dimensionamento do escopo para 10x e o dimensionamento da sonda para 20x. Dimensione todas as medidas de acordo. Regisso escalonamento da sonda e do osciloscópio para explicar os fatores perdidos mais tarde. Conecte a saída de um gerador de função ao High in, que é o pino 10, e controla a comutação do transistor superior. Conecte o solo do gerador de função ao ponto comum do circuito. Conecte a saída do outro gerador de função ao Low in, que é o pino 12, e controla a comutação do transistor inferior. Conecte o solo do outro gerador de função ao ponto comum do circuito. Capture as formas de onda em Alta e V para fora e meça a tensão de saída, amplitude e frequência. Regissão as leituras de corrente e tensão na fonte de alimentação DC. Repita as medidas com uma frequência de entrada de cinco quilohertz e observe a diferença na forma de onda CA de saída. Finalmente, desligue a fonte de alimentação DC e desconecte os geradores de função do circuito.

A tensão de saída deste inversor de meia ponte é uma onda quadrada com amplitude de 1/2 VDC e algum tempo morto fazendo com que a tensão de saída seja zero por cerca de 4% do período de comutação. Inversores de ondas quadradas têm alta distorção harmônica total e raramente são usados em aplicações reais. No entanto, eles são os blocos de construção de muitos inversores mais avançados com melhores esquemas de comutação, como a modulação da largura do pulso sinusoidal. Esses métodos mais sofisticados não só reduzem a distorção harmônica total, mas também facilitam os requisitos de filtragem para harmônicos indesejados na tensão de saída CA.

Os inversores são comumente usados na interface entre equipamentos e máquinas disponíveis de aplicações DC e CA. Grandes raios de células solares estão agora produzindo energia em muitas áreas e contribuem para a rede elétrica local. As células solares produzem energia DC, no entanto, e os inversores são usados para transformá-la em energia CA com a tensão adequada e frequência para a rede. Muitas máquinas usam energia CA, mas não na frequência fixa de 120 Volts RMS e 60 hertz da fonte principal. A velocidade do rotor de um motor de indução, por exemplo, depende da frequência da corrente que o conduz. Unidades de frequência variável usam conversão AC para DC para gerar energia DC interna. Os inversores, por sua vez, usam esta energia DC para gerar energia CA com tensão e frequência ajustáveis, o que permite o controle da velocidade e do torque do motor de indução.

Você acabou de assistir a introdução de Jove a inversores monárfatos. Agora você deve entender o básico da conversão DE DC para AC e como a frequência da saída CA pode ser ajustada alterando a frequência de comutação. Obrigado por assistir.