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0. Cosa spiega questo articolo
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Topologie a semiponte e a ponte intero che generano corrente alternata monofase e trifase da un collegamento in corrente continua.
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Come la modulazione PWM sinusoidale e la modulazione PWM a vettore spaziale generano una tensione media.
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Controllo, perdite, tempo morto, interferenze elettromagnetiche (EMI) e protezione in motori, sistemi di conversione fotovoltaica (PCS) e veicoli elettrici (EV).
1. Cos'è un inverter?
Un inverter è un convertitore di potenza che commuta rapidamente una sorgente di corrente continua e utilizza il filtraggio o l'induttanza del motore per sintetizzare corrente alternata. Un interruttore ideale si limita a collegare o scollegare una tensione; non genera direttamente un'onda sinusoidale. La larghezza dell'impulso, la frequenza di commutazione e la fase vengono controllate in modo che il carico riceva la componente fondamentale desiderata.
2. Ingressi, uscite e topologie
Gli ingressi includono una batteria, un raddrizzatore o un collegamento fotovoltaico in corrente continua. Un ponte intero monofase utilizza quattro interruttori; un ponte trifase a due livelli ne utilizza sei. L'accensione simultanea dei dispositivi superiore e inferiore cortocircuita il collegamento in corrente continua, introducendo quindi un tempo morto. Le configurazioni NPC, a T, multilivello e multilivello modulari condividono la tensione tra i dispositivi ad alta tensione e potenza.
3. Matematica PWM: definire prima i terminali di tensione
Misurata rispetto al rail negativo in corrente continua, la tensione a metà di un semiponte ideale commuta tra 0 e V_{dc}. Se l'interruttore superiore è acceso per una frazione D del periodo T_s, la tensione media è \bar v_{a-}=D V_{dc}. Questa tensione riferita al rail è diversa dalla tensione ai capi di un carico in corrente alternata.
Un ponte intero monofase che utilizza PWM bipolare commuta la tensione di carico tra +V_{dc} e -V_{dc}. Se lo stato positivo occupa la frazione D,
La media è zero per D=0.5, positiva per D>0.5 e negativa per D<0.5. Scegliendo D(t)=[1+m\sin(\omega t)]/2 si ottiene una media di mV_{dc}\sin(\omega t) nell'intervallo lineare 0\le m\le1. Qui m è l'indice di modulazione e \omega la frequenza angolare fondamentale.
Per un collegamento a 48 V CC, D=0.75 fornisce una media periodica di 24 V; La bobinaD=0.25fornisce -24 V. La tensione di commutazione istantanea rimane ±48 V. Questi sono calcoli illustrativi che utilizzano una frequenza di commutazione molto superiore alla frequenza fondamentale.
Nei sistemi trifase, è importante distinguere la tensione di fase dalla tensione di linea. L'induttanza sopprime le ondulazioni di corrente ad alta frequenza senza eliminare le brusche transizioni di tensione ai terminali o la corrente di modo comune. Vedere gli schemi circuitali e di modulazione nella nota sull'inverter monofase di Imperix.
4. Architettura di base
Le frecce continue trasportano potenza; le frecce tratteggiate trasportano misurazioni e comandi di gate. Il controller PWM non si trova nel percorso di alimentazione del carico.
5. Anelli di controllo e motori
In un azionamento motore, un anello esterno di velocità o posizione comanda la corrente dell'asse q e un anello interno di corrente aggiorna il duty cycle PWM. Per un PMSM a magneti permanenti di superficie con i_d=0 e coppia di riluttanza trascurati, p è il conteggio delle coppie di poli, \psi_f è il flusso concatenato del magnete permanente e i_q è Corrente sull'asse q:
La coppia segue quindi la relazione i_q. La relazione omette la saturazione, la caduta di tensione, la coppia di riluttanza e i limiti di corrente; non può da sola garantire la coppia misurata della macchina. Ad alta velocità, l'indebolimento del campo riduce la forza controelettromotrice. I motori a induzione richiedono la stima del flusso e della frequenza di scorrimento. La risoluzione del sensore, l'istante di campionamento della corrente e la compensazione del tempo morto determinano l'ondulazione della coppia a bassa velocità.
6. Perdite, calore ed EMI
Con l'ipotesi di una transizione a sovrapposizione lineare, le perdite di commutazione e di conduzione sono approssimate da
La stima deve essere corretta con le forme d'onda di commutazione del dispositivo, il recupero inverso del diodo, la temperatura e i parametri parassiti. Un valore più elevato di f_s riduce l'ondulazione del filtro e del motore, ma aumenta le perdite, la potenza di pilotaggio del gate e EMI. SiC e GaN consentono velocità elevate, ma il sovraccarico dell'induttanza parassita, le accensioni indesiderate e le distanze di isolamento/distanze di sicurezza diventano requisiti stringenti per il layout. T_j=T_c+P_{loss}R_{th,jc} è una stima di primo ordine; l'impedenza termica transitoria, la temperatura del refrigerante e il sovraccarico di cortocircuito richiedono verifica.
7. Confronto tra topologie
| Topologia | Numero di interruttori / idea | Forza | Punto di controllo |
|---|---|---|---|
| Monofase a ponte intero | Quattro interruttori | Semplice stadio UPS e per dispositivi | Corrente continua e armoniche |
| Trifase a due livelli | Sei interruttori | Standard per motori e PCS | Tensione del dispositivo e tensione di modo comune |
| NPC/tipo T | Tensione di ripartizione del blocco | Alta tensione, armoniche inferiori | Controllo dei componenti e del punto neutro |
| Multilivello | Celle a bassa tensione in serie | Forma d'onda ad alta tensione, basse EMI | Isolamento, bilanciamento, dimensioni di controllo |
8. Condizioni difficili e protezione
Un cortocircuito può distruggere un interruttore in microsecondi, quindi il rilevamento del gate-driver DESAT, i sensori di corrente, i fusibili e lo spegnimento hardware sono stratificati. Un tempo morto eccessivo crea errori di tensione e distorsioni di coppia a bassa velocità. I cavi motore lunghi creano picchi riflessi e correnti nei cuscinetti. La connessione alla rete richiede inoltre anti-islanding, aggancio di fase, armoniche di corrente e disconnessione in caso di perdita di rete. Una progettazione completa verifica anche la precarica, il monitoraggio dell'isolamento e l'energia di guasto che rimane nei condensatori del collegamento CC dopo uno spegnimento.
9. Scelte pratiche
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VE e servo: valutare la corrente continua e di picco, la tensione rigenerativa, il raffreddamento e il rilevamento della posizione durante il ciclo di lavoro.
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PCF: verificare l'intervallo MPPT, la tensione di rete, il fattore di potenza/potenza reattiva, le armoniche e l'anti-islanding.
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UPS: dare priorità al tempo di trasferimento, al bypass, alla corrente di spunto e alla ridondanza.
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Alimentatore compatto ad alta frequenza: il layout, le EMI e i test di isolamento vengono prima di sfruttare la velocità del GaN.
10. Tre linee Riepilogo
Un inverter progetta la media degli stati di commutazione con PWM per sintetizzare la corrente alternata (AC) dalla corrente continua (DC). Gli azionamenti per motori chiudono i circuiti di corrente, velocità e posizione; gli inverter di rete chiudono i circuiti di fase, corrente e anti-islanding. L'efficienza deve essere verificata insieme al tempo morto, al calore, alle interferenze elettromagnetiche (EMI), all'interruzione da cortocircuito e all'isolamento.
Qual è la media di un ponte bipolare a +48 V per il 75% di un ciclo?
La media ideale è 0,75×48−0,25×48 = 24 V. Definisci la coppia di terminali e gli stati di commutazione prima di calcolare la media.
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