Rangkaian Inverter — Mengubah Arus DC menjadi AC

0. Apa yang dijelaskan dalam artikel ini

• Topologi half-bridge dan full-bridge yang menciptakan AC satu dan tiga fasa dari tautan DC.

• Bagaimana PWM sinusoidal dan PWM vektor ruang menciptakan tegangan rata-rata.

• Kontrol, kerugian, waktu mati, EMI, dan proteksi pada motor, PV PC, dan EV.

1. Apa itu inverter?

Inverter adalah konverter daya yang dengan cepat mengalihkan sumber DC dan menggunakan penyaringan atau induktansi motor untuk mensintesis AC. Sakelar ideal hanya menghubungkan atau memutuskan tegangan; sakelar tersebut tidak secara langsung menghasilkan gelombang sinus. Lebar pulsa, frekuensi switching, dan fasa dikontrol sehingga beban melihat komponen fundamental yang diinginkan.

2. Input, output, dan topologi

Input meliputi baterai, penyearah, atau tautan DC fotovoltaik V_{dc}. Jembatan penuh satu fasa menggunakan empat sakelar; jembatan dua tingkat tiga fasa menggunakan enam sakelar. Menyalakan perangkat atas dan bawah secara bersamaan akan menyebabkan korsleting pada tautan DC, sehingga waktu mati (dead time) dimasukkan. Susunan NPC, tipe T, multilevel, dan modular multilevel membagi tegangan di seluruh perangkat pada tegangan dan daya tinggi.

3. Matematika PWM: tentukan terminal tegangan terlebih dahulu

Diukur dari rel DC negatif, titik tengah setengah jembatan ideal beralih antara 0 dan V_{dc}. Jika sakelar atas aktif selama sebagian kecil D dari periode T_s, rata-ratanya adalah \bar v_{a-}=D V_{dc}. Tegangan yang mengacu pada rel ini berbeda dari tegangan di seluruh beban AC.

Jembatan penuh satu fasa yang menggunakan PWM bipolar mengalihkan tegangan beban antara +V_{dc} dan -V_{dc}. Jika keadaan positif menempati fraksi D,

Rata-ratanya nol pada D=0.5, positif untuk D>0.5, dan negatif untuk D<0.5. Memilih D(t)=[1+m\sin(\omega t)]/2 memberikan rata-rata mV_{dc}\sin(\omega t) dalam rentang linier 0\le m\le1. Di sini m adalah indeks modulasi dan \omega adalah frekuensi sudut fundamental.

Untuk tautan DC 48 V, D=0.75 memberikan rata-rata periode 24 V; D=0.25 memberikan −24 V. Output switching sesaat tetap ±48 V. Ini adalah perhitungan ilustratif menggunakan frekuensi switching yang jauh lebih tinggi daripada frekuensi fundamental.

Pada sistem tiga fasa, bedakan tegangan fasa dari tegangan antar saluran. Induktansi menekan riak arus frekuensi tinggi tanpa menghilangkan transisi tegangan terminal yang tajam atau arus mode umum. Lihat diagram rangkaian dan modulasi dalam catatan inverter satu fasa Imperix.

4. Arsitektur Dasar

Panah padat membawa daya; panah putus-putus membawa pengukuran dan perintah gerbang. Pengontrol PWM tidak berada di jalur daya beban.

5. Loop kontrol dan motor

Dalam penggerak motor, loop kecepatan atau posisi luar memerintahkan arus sumbu q dan loop arus dalam memperbarui tugas PWM. Untuk PMSM permukaan-PM dengan i_d=0 dan torsi reluktansi diabaikan, p adalah jumlah pasangan kutub, \psi_f adalah keterkaitan fluks magnet permanen, dan i_q adalah arus sumbu q:

Oleh karena itu, torsi mengikuti i_q. Hubungan ini mengabaikan saturasi, penurunan resistansi, Torsi reluktansi, dan batas arus; hal ini sendiri tidak dapat menjamin torsi mesin yang terukur. Pada kecepatan tinggi, pelemahan medan mengurangi EMF balik. Motor induksi memerlukan estimasi fluks dan frekuensi slip. Resolusi sensor, momen pengambilan sampel arus, dan kompensasi waktu mati menentukan riak torsi kecepatan rendah.

6. Rugi, panas, dan EMI

Dengan asumsi transisi tumpang tindih linier, rugi switching dan konduksi didekati oleh

Estimasi tersebut harus dikoreksi dengan bentuk gelombang switching perangkat, pemulihan balik dioda, suhu, dan parasitik. f_s yang lebih tinggi mengurangi riak filter dan motor tetapi meningkatkan rugi, daya penggerak gerbang, dan EMI. SiC dan GaN memungkinkan kecepatan, tetapi overshoot induktansi parasitik, pengaktifan palsu, dan jarak rambat/celah menjadi persyaratan tata letak yang ketat. T_j=T_c+P_{loss}R_{th,jc} adalah estimasi orde pertama; impedansi termal transien, suhu pendingin, dan kelebihan beban singkat memerlukan verifikasi.

7. Perbandingan Topologi

8. Kondisi Sulit dan Perlindungan

Hubung pendek dapat merusak sakelar dalam hitungan mikrodetik, sehingga deteksi penggerak gerbang DESAT, sensor arus, sekering, dan pemutusan perangkat keras berlapis. Waktu mati yang berlebihan menciptakan kesalahan tegangan dan distorsi torsi kecepatan rendah. Kabel motor yang panjang menciptakan lonjakan pantulan dan arus bantalan. Koneksi jaringan juga Membutuhkan anti-islanding, penguncian fase, harmonik arus, dan pemutusan saat terjadi pemadaman listrik. Desain lengkap juga memeriksa pra-pengisian, pemantauan isolasi, dan energi gangguan yang tersisa di kapasitor DC-link setelah pemadaman.

9. Pilihan Praktis

• EV dan servo: evaluasi arus kontinu dan puncak, tegangan regeneratif, pendinginan, dan penginderaan posisi selama siklus kerja.

• PV PCS: periksa rentang MPPT, tegangan jaringan, faktor daya/daya reaktif, harmonik, dan anti-islanding.

• UPS: prioritaskan waktu transfer, bypass, arus masuk, dan redundansi.

• Pasokan kompak frekuensi tinggi: tata letak, EMI, dan pengujian isolasi didahulukan sebelum memanfaatkan kecepatan GaN.

10. Ringkasan Tiga Baris

Inverter mendesain rata-rata keadaan sakelar dengan PWM untuk mensintesis AC dari DC.

Penggerak motor menutup loop arus, kecepatan, dan posisi; inverter jaringan menutup loop fase, arus, dan anti-islanding.

Efisiensi harus diverifikasi bersama dengan waktu mati, panas, EMI, gangguan hubung singkat, dan isolasi.

Referensi

• IEEE Power Electronics Society
• Sistem penggerak kecepatan variabel IEC 61800
• Penelitian elektronika daya NREL
• Sumber daya SiC Wolfspeed