Invertitori monofase

Un inverter è un dispositivo elettrico che trasforma un ingresso DC in un'uscita AC a una tensione e frequenza selezionate, un processo chiamato conversione da DC a AC. Ad esempio, gli inverter sono molto utilizzati nell'interfaccia tra le celle solari e la rete elettrica, dove l'energia CC generata dalla cella solare deve essere convertita in CA per essere compatibile con la rete. Sono anche essenziali nei gruppi di continuità che immagazzinano energia in una batteria, ma devono produrre 120 Volt 60 hertz di potenza per i computer. Un inverter funziona tagliando il suo ingresso DC in una serie di impulsi per creare un'onda oscillante. A seconda della quantità di filtraggio, l'output può essere un'onda quadra, un'onda pseudo-sinusoidale o un'onda sinusoidale. Questo video introdurrà i principi di base di un semplice inverter e ne dimostrerà il funzionamento in un circuito semplice.

L'ingresso di un inverter è una tensione CC costante. Un circuito inverter include interruttori elettronici come transistor a effetto di campo di ossido metallico, transistor bipolari a gate isolato o raddrizzatori controllati dal silicio sotto il controllo di un clock o di un generatore di frequenza. Quando il segnale di clock accende un interruttore, l'ingresso CC viene tagliato o la sua polarità viene invertita. Questo processo è chiamato commutazione. Il taglio ripetuto crea una serie di impulsi o onde quadrate. Poiché il periodo di clock determina la frequenza del polso, la modifica della frequenza di controllo dell'inverter modifica di conseguenza la frequenza di uscita. Un tipo di commutazione chiamato modulazione della larghezza di impulso produce un flusso di impulsi con larghezze variabili che possono essere filtrati per approssimare un'onda sinusoidale. La modulazione della larghezza di impulso è auspicabile perché le macchine e le apparecchiature elettriche spesso richiedono energia con tensione variabile sinusoidale per funzionare correttamente. Per le numerose topologie di inverter, come gli inverter H-bridge, trifase e multilivello, l'inverter half-bridge è un elemento fondamentale. L'inverter a mezzo ponte in questo diagramma semplificato applica la sua alimentazione CC V su due condensatori identici in serie, che fungono da divisore di tensione. Poiché i condensatori hanno lo stesso valore, hanno la stessa tensione attraverso i loro terminali e il nodo tra loro è a V in / 2. Questo punto è il terreno AC per il carico. L'inverter a mezzo ponte utilizza due interruttori in serie e due clock non sovrapposti o fuori fase per collegare alternativamente il nodo tra loro a V in e zero Volt. Per evitare un cortocircuito dell'alimentazione CC, un interruttore deve spegnersi prima che l'altro si accendo. Il carico è collegato dal punto tra i due interruttori al punto tra i due condensatori. Quando l'interruttore A è acceso e l'interruttore B è spento, il carico è collegato a V in e ha una tensione positiva di 1/2 V in tutto esso, rispetto alla messa a terra CA. Quando l'interruttore A è spento e l'interruttore B è acceso, il carico è collegato a zero Volt e ha una tensione negativa di 1/2 V rispetto alla messa a terra CA. Poiché questo processo di commutazione si ripete, il carico ha alternativamente tensione positiva e negativa su di esso con ampiezza di 1/2 V in. In questo semplice caso, l'alimentazione CA è un'onda quadra. Ora che le basi di un inverter monofase sono state spiegate, dimostriamo il dispositivo costruendo un inverter a mezzo ponte da CC a CA con commutazione a onda quadra e quindi osserviamo il suo funzionamento.

Innanzitutto, configurare generatori a due funzioni per produrre onde quadrate da 10 kilohertz oscillanti da 0 a 10 Volt con un ciclo di lavoro del 48%. Sincronizza le uscite in modo che siano 180 gradi fuori fase tra loro. Ogni generatore di funzioni controlla in modo indipendente uno dei due interruttori a transistor ad effetto di campo dell'inverter a mezzo ponte. L'onda quadra accende il transistor quando l'uscita è alta e lo spegne quando l'uscita è bassa o zero Volt. Poiché il ciclo di lavoro è del 48%, il restante 2% del periodo è tempo morto tra gli stati on dei due transistor. Durante questo periodo le uscite di entrambi i generatori di segnale sono basse, impedendo ai transistor di condurre contemporaneamente ed evitando un cortocircuito dell'alimentazione CC. Collegare un canale di un oscilloscopio all'uscita di ciascun generatore di funzioni. Quindi confermare che le onde quadrate hanno l'ampiezza, la frequenza e il ciclo di lavoro previsti. Le due onde quadrate devono anche avere fasi opposte, quindi una è alta mentre l'altra è bassa. Acquisire la schermata dell'ambito per un riferimento successivo. Spegnere le uscite del generatore di funzioni ma lasciare i generatori accesi. Infine, impostare l'alimentazione CC su 15 Volt positivi ma non collegarlo a nessun circuito, quindi spegnerlo.

Costruire il circuito inverter a mezzo ponte e utilizzare un resistore da 51 ohm per la resistenza al carico, carico R. Con l'alimentatore DC spento, collegare la sua uscita all'ingresso inverter VDC. Collegare una sonda differenziale attraverso il carico R per misurare l'uscita V, quindi collegare una sonda normale tra l'uscita alta, che è il pin sette, e la messa a terra. Impostare il ridimensionamento dell'ambito su 10x e il ridimensionamento della sonda su 20x. Ridimensionare tutte le misurazioni di conseguenza. Registrare il ridimensionamento dalla sonda e dall'oscilloscopio per tenere conto dei fattori mancanti in seguito. Collegare l'uscita di un generatore di funzioni a High in, che è il pin 10, e controlla la commutazione del transistor superiore. Collegare la terra del generatore di funzioni al terreno comune del circuito. Collegare l'uscita dell'altro generatore di funzioni a Low in, che è il pin 12, e controlla la commutazione del transistor inferiore. Collegare la terra dell'altro generatore di funzioni al terreno comune del circuito. Cattura le forme d'onda ad Alta uscita e V in uscita e misura la tensione di uscita, l'ampiezza e la frequenza. Registrare le letture di corrente e tensione sull'alimentatore CC. Ripetere le misurazioni con una frequenza di ingresso di cinque kilohertz e osservare la differenza nella forma d'onda AC in uscita. Infine, spegnere l'alimentazione CC e scollegare i generatori di funzioni dal circuito.

La tensione di uscita di questo inverter a mezzo ponte è un'onda quadra con un'ampiezza di 1/2 VDC e un certo tempo morto che causa la tensione di uscita a zero per circa il 4% del periodo di commutazione. Gli inverter a onda quadra hanno un'elevata distorsione armonica totale e sono raramente utilizzati in applicazioni reali. Tuttavia, sono gli elementi costitutivi di molti inverter più avanzati con schemi di commutazione migliori, come la modulazione della larghezza di impulso sinusoidale. Questi metodi più sofisticati non solo riducono la distorsione armonica totale, ma facilitano anche i requisiti di filtraggio per le armoniche indesiderate nella tensione di uscita CA.

Gli inverter sono comunemente utilizzati nell'interfaccia tra l'alimentazione CC disponibile e le apparecchiature e i macchinari delle applicazioni CA. Grandi raggi di celle solari stanno ora producendo energia in molte aree e contribuiscono alla rete elettrica locale. Tuttavia, le celle solari producono energia CC e gli inverter vengono utilizzati per trasformarla in alimentazione CA con la tensione e la frequenza corrette per la rete. Molte macchine utilizzano l'alimentazione CA, ma non alla frequenza fissa di 120 Volt RMS e 60 hertz dell'alimentazione principale. La velocità del rotore di un motore a induzione, ad esempio, dipende dalla frequenza della corrente che lo guida. Gli azionamenti a frequenza variabile utilizzano la conversione da CA a CC per generare alimentazione CC interna. Gli inverter a loro volta utilizzano questa potenza CC per generare energia CA con tensione e frequenza regolabili, che consente il controllo della velocità e della coppia del motore a induzione.

Hai appena visto l'introduzione di Jove agli inverter monofase. Ora dovresti capire le basi della conversione da CC a CA e come la frequenza dell'uscita CA può essere regolata modificando la frequenza di commutazione. Grazie per l'attenzione.