Invertitori monofase

Fonte: Ali Bazzi, Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Università del Connecticut, Storrs, CT.

La potenza CC è unidirezionale e scorre in una direzione, mentre la corrente ALTERNATA alterna direzioni a una frequenza di 50-60 Hz. I dispositivi elettronici più comuni sono progettati per funzionare con alimentazione CA; pertanto una sorgente DC in ingresso deve essere invertita in AC. Gli inverter convertono la tensione DC in AC attraverso un'azione di commutazione che capovolge ripetutamente la polarità della sorgente DC in ingresso sul lato di uscita o di carico per parte di un periodo di commutazione. Un tipico inverter di potenza richiede un ingresso di potenza CC stabile, che viene quindi commutato ripetutamente utilizzando interruttori meccanici o elettromagnetici. L'uscita può essere un'onda quadra, un'onda sinusoidale o una variazione di un'onda sinusoidale, a seconda della progettazione del circuito e delle esigenze dell'utente.

L'obiettivo di questo esperimento è quello di costruire e analizzare il funzionamento degli inverter a mezzo ponte DC / AC. Gli inverter a mezzo ponte sono la forma più semplice di inverter CC / CA, ma sono gli elementi costitutivi per gli inverter H-bridge, trifase e multilivello. La commutazione a onda quadra è studiata qui per semplicità, ma la modulazione della larghezza di impulso sinusoidale (SPWM) e altri schemi di modulazione e commutazione sono tipicamente utilizzati negli inverter DC / AC.

Gli inverter sono costituiti da dispositivi di commutazione (uno, due, quattro, sei o più) che vengono commutati in modo da convertire una tensione di ingresso CC in CA. Gli switch sono in genere MOSFET, IGBT, SCR o altri.

L'inverter a mezzo ponte fornisce una tensione di uscita CA con un massimo di V_in/2, mentre l'inverter a ponte pieno può raggiungere un massimo di V_in. L'inverter half-bridge richiede due condensatori in parallelo con l'ingresso DC per dividere l'ingresso in due metà, ciascuna a V_in/2 in modo simile a un divisore di tensione, mentre il full-bridge non ha questo requisito. Il raddrizzatore a mezzo ponte utilizza due interruttori, mentre il ponte completo utilizza quattro interruttori.

Molte topologie avanzate di inverter, schemi di commutazione e controller esistono nella letteratura sull'elettronica di potenza, ma il mezzo ponte è l'elemento costitutivo più fondamentale della maggior parte di essi. In un inverter a mezzo ponte, la sorgente CC di ingresso è divisa in due metà utilizzando due condensatori identici di uguale capacità. L'inverter può quindi collegare l'uscita a +V_dc/2 quando l'interruttore dell'inverter superiore è acceso e a -V_dc/2 quando l'interruttore dell'inverter inferiore è acceso. Entrambi gli interruttori non dovrebbero essere accesi contemporaneamente e il tempo morto quando entrambi sono spenti dovrebbe essere aggiunto utilizzando circuiti hardware o software.

1. Commutazione della configurazione della sorgente

1. Impostare due generatori di funzioni con uscite come onde quadrate a 10 kHz di frequenza e rapporto di servizio del 48%.
   1. I generatori di funzioni devono essere sincronizzati in modo che i loro segnali di uscita siano fuori fase di 180°.
   2. Il tempo morto del 2% viene utilizzato come 1% su ciascun lato dell'uscita a onda quadra. Il tempo morto impedisce una condizione di shoot-through in cui sia gli interruttori superiore che quello inferiore stanno conducendo cortocircuitando così l'alimentazione CC in ingresso.
2. Verificare che le uscite dei generatori di funzioni siano come previsto osservandole sullo schermo dell'oscilloscopio.
   1. Acquisire la schermata dell'ambito.
3. Spegnere le uscite del generatore di funzioni ma lasciare i generatori stessi ACCESI.
4. Impostare l'alimentazione CC su 15 V e lasciarla scollegata da qualsiasi circuito.
   1. Spegnilo una volta impostato.

2. Inverter a mezzo ponte

1. L'inverter a mezzo ponte viene testato con i MOSFET superiore e inferiore commutati in modo indipendente.
2. Costruisci il circuito mostrato in Fig 1.
   1. Utilizzare il resistore da 51 Ω come carico.
3. Collegare l'ingresso V_dc a +15V.
   1. Tenere spento l'alimentatore CC.
4. Collegare una sonda normale tra high-out (HO) e terra.
   1. Collegare una sonda differenziale attraverso il carico per misurare V_{in uscita}.
      1. Assicurarsi che il ridimensionamento dell'ambito sia a 10X e che il ridimensionamento della sonda sia a 20X.
      2. Non dimenticare di ridimensionare tutte le misurazioni di conseguenza.
5. Collegare un'uscita del generatore di funzioni all'high-in (HIN) che viene utilizzata per controllare la commutazione MOSFET superiore.
   1. Collegare la sua terra al terreno comune del circuito.
   2. Collegare l'altra uscita del generatore di funzioni a LIN (low-in) che viene utilizzata per controllare la commutazione MOSFET inferiore.
6. Cattura le forme d'onda e misura il picco e la frequenza della tensione di uscita.
7. Registrare le letture di corrente e tensione in ingresso sull'alimentatore CC.
8. Spegnere l'alimentazione CC e scollegare l'uscita del generatore di funzioni dal circuito.

Figura 1: Configurazione del half-bridge

Dalla costruzione di questo inverter a mezzo ponte ci si aspetta che la forma d'onda della tensione di uscita sia un'onda quadra con un massimo di V_dc/2 e un minimo di -V_dc/2 con un certo tempo morto che fa sì che la tensione di uscita sia zero per circa il 4% del periodo di commutazione.

Gli inverter a onda quadra hanno un'elevata distorsione armonica totale (THD) e sono raramente utilizzati in applicazioni reali, tuttavia, sono gli elementi costitutivi di molti inverter più avanzati con schemi di commutazione migliori, ad esempio SPWM, che possono fornire tensioni di uscita più sinusoidali. Ciò non solo migliora il THD, ma riduce anche i requisiti di filtraggio per le armoniche indesiderate nella tensione di uscita ad eccezione dell'armonica fondamentale, ad esempio a 50 o 60 Hz.

Gli inverter sono molto comuni nell'interfacciamento di fonti di energia pulita, ad esempio solare fotovoltaico, celle a combustibile, turbine eoliche, nonché con sistemi di accumulo di energia, ad esempio batterie, con la rete. Sono essenziali nei gruppi di continuità (sistemi UPS), nelle micro-reti con penetrazione di energia pulita e nei sistemi di trasporto ibridi ed elettrici. Tra le principali applicazioni degli inverter c'è negli azionamenti dei motori in cui il controllo del motore può essere fornito regolando i modelli di commutazione dell'inverter per raggiungere la velocità e / o la coppia desiderate.