İnverter Devreleri — Doğru Akımı Alternatif Akıma Dönüştürme

0. Bu makalenin açıkladığı konular

• DC bağlantıdan tek ve üç fazlı AC üreten yarım köprü ve tam köprü topolojileri.

• Sinüzoidal PWM ve uzay vektörlü PWM'nin ortalama voltajı nasıl oluşturduğu.

• Motorlarda, PV güç ünitelerinde ve elektrikli araçlarda kontrol, kayıplar, ölü zaman, EMI ve koruma.

1. İnverter nedir?

İnverter, bir DC kaynağını hızla değiştiren ve AC sentezlemek için filtreleme veya motor endüktansı kullanan bir güç dönüştürücüsüdür. İdeal bir anahtar yalnızca bir voltajı bağlar veya ayırır; doğrudan bir sinüs dalgası üretmez. Darbe genişliği, anahtarlama frekansı ve faz, yükün istenen temel bileşeni görmesi için kontrol edilir.

2. Girişler, çıkışlar ve topolojiler

Girişler arasında bir pil, doğrultucu veya fotovoltaik DC bağlantı bulunur. Tek fazlı bir tam köprü dört anahtar kullanır; üç fazlı iki seviyeli bir köprü altı anahtar kullanır. Üst ve alt cihazların aynı anda açılması DC bağlantısını kısa devre yapar, bu nedenle ölü zaman eklenir. NPC, T tipi, çok seviyeli ve modüler çok seviyeli düzenlemeler, yüksek voltaj ve güçte cihazlar arasında voltajı paylaşır.

3. PWM matematiği: önce voltaj terminallerini tanımlayın

Negatif DC rayından ölçülen ideal bir yarım köprü orta noktası, 0 ve V_{dc} arasında geçiş yapar. Üst anahtar, T_s periyodunun D kesri kadar süreyle açık kalırsa, ortalama \bar v_{a-}=D V_{dc} olur. Bu ray referanslı voltaj, bir AC yükü üzerindeki voltajdan farklıdır.

Bipolar PWM kullanan tek fazlı bir tam köprü, yük voltajını +V_{dc} ve -V_{dc} arasında değiştirir. Pozitif durum D kesrini işgal ediyorsa,

Ortalama D=0.5'da sıfır, D>0.5 için pozitif ve D<0.5 için negatiftir. D(t)=[1+m\sin(\omega t)]/2 seçimi, doğrusal aralık 0\le m\le1'te mV_{dc}\sin(\omega t) ortalamasını verir. Burada m modülasyon indeksi ve \omega temel açısal frekanstır.

48 V DC bağlantı için, D=0.75 24 V periyot ortalaması verir; D=0.25 -24 V verir. Anlık anahtarlama çıkışı ±48 V kalır. Bunlar, temel frekanstan çok daha yüksek bir anahtarlama frekansı kullanılarak yapılan örnek hesaplamalardır.

Üç fazlı sistemlerde, faz gerilimini hatlar arası gerilimden ayırt edin. İndüktans, keskin terminal gerilim geçişlerini veya ortak mod akımını ortadan kaldırmadan yüksek frekanslı akım dalgalanmasını bastırır. Imperix'in tek fazlı invertör notunda devre ve modülasyon şemalarına bakın.

4. Temel Mimari

Düz oklar gücü taşır; kesikli oklar ölçümleri ve kapı komutlarını taşır. PWM kontrolörü yük güç yolunda değildir.

5. Kontrol döngüleri ve motorlar

Bir motor sürücüsünde, dış hız veya konum döngüsü q eksen akımını komut eder ve iç akım döngüsü PWM görevini günceller. i_d=0 ve relüktans torku ihmal edilmiş bir yüzey-PM PMSM için, p kutup çifti sayısı, \psi_f kalıcı mıknatıs akı bağlantısı ve i_q q eksen akımıdır:

Bu nedenle tork i_q'u izler. İlişki doygunluğu, direnç düşüşünü, relüktans torkunu ve akım sınırlarını ihmal eder; kendi başına ölçülen makine torkunu garanti edemez. Yüksek hızda, alan zayıflaması geri EMF'yi azaltır. İndüksiyon motorları akı ve kayma frekansı tahminine ihtiyaç duyar. Sensör çözünürlüğü, akım örnekleme anı ve ölü zaman telafisi düşük hızlı tork dalgalanmasını belirler.

6. Kayıp, ısı ve EMI

Doğrusal örtüşme geçiş varsayımıyla, anahtarlama ve iletim kaybı şu şekilde yaklaşık olarak hesaplanır:

Tahmin, cihaz anahtarlama dalga biçimleri, diyot ters toparlanması ile düzeltilmelidir, Sıcaklık ve parazitler. Daha yüksek f_s, filtre ve motor dalgalanmasını azaltır ancak kayıpları, kapı sürücü gücünü ve EMI'yi artırır. SiC ve GaN hızı mümkün kılar, ancak parazitik endüktans aşımı, yanlış açma ve kaçak/boşluk, katı yerleşim gereksinimleri haline gelir. T_j=T_c+P_{loss}R_{th,jc} birinci dereceden bir tahmindir; geçici termal empedans, soğutucu sıcaklığı ve kısa aşırı yük doğrulama gerektirir.

7. Topoloji karşılaştırması

8. Zorlu koşullar ve koruma

Kısa devre, bir anahtarı mikrosaniyeler içinde tahrip edebilir; bu nedenle DESAT kapı sürücüsü algılama, akım sensörleri, sigortalar ve donanım kapatma katmanlıdır. Aşırı ölü zaman, gerilim hatası ve düşük hızlı tork bozulmasına neden olur. Uzun motor kabloları, yansıyan dalgalanmalara ve yatak akımlarına neden olur. Şebeke bağlantısı ayrıca ada oluşumunu önleme, faz kilitleme, akım harmonikleri ve şebeke kaybında bağlantı kesme gerektirir. Tam bir tasarım ayrıca ön şarjı, izolasyon izlemeyi ve kapatmadan sonra DC bağlantı kapasitörlerinde kalan arıza enerjisini de kontrol eder.

9. Pratik seçimler

• EV ve servo: sürekli ve tepe akımı, rejeneratif gerilim, soğutma ve görev döngüsü boyunca konum algılamayı değerlendirin.

• PV PCS: MPPT aralığını, şebeke gerilimini, güç faktörünü/reaktif gücü, harmonikleri ve ada oluşumunu önlemeyi kontrol edin.

• UPS: Aktarım süresi, baypas, ani akım ve yedekliliğe öncelik verin.

• Yüksek frekanslı kompakt güç kaynağı: GaN hızından yararlanmadan önce yerleşim, EMI ve izolasyon testleri yapılmalıdır.

10. Üç satırlık özet

Bir invertör, DC'den AC sentezlemek için PWM ile anahtar durumlarının ortalamasını tasarlar.

Motor sürücüleri akım, hız ve konum döngülerini kapatır; şebeke invertörleri faz, akım ve ada oluşumunu önleme döngülerini kapatır.

Verimlilik, ölü zaman, ısı, EMI, kısa devre kesintisi ve izolasyon ile birlikte doğrulanmalıdır.

Referanslar

• IEEE Güç Elektroniği Topluluğu
• IEC 61800 ayarlanabilir hızlı sürücü sistemleri
• NREL güç elektroniği araştırması
• Wolfspeed SiC kaynakları