اینورتر PWM

9 خرداد 1402

اینورتر PWM تک قطبی و دو قطبی

چکیده:

اینورتر اساساً یک رابط بین منبع DC مانند سلول های فتوولتائیک و شبکه های AC است. توپولوژی های اینورتر زیادی وجود دارد، اما اعوجاج جریان خروجی و راندمان دو پارامتر اصلی برای انتخاب اینورترها هستند. در این مقاله، تکنیک SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation) اینورترهای تک قطبی و دوقطبی ارائه شده است. توپولوژی های اینورتر H-Bridge (هم تک قطبی و هم دو قطبی) از کلیدهای الکترونیکی قدرت تشکیل شده اند و با پالس های دامنه ثابت با عرض پالس متفاوت برای هر دوره تغذیه می شوند. پالس های SPWM با مقایسه دو موج تولید می شوند: یک موج حامل که در این حالت مثلثی است و یک موج مرجع (رفرنس) که فرکانس آن فرکانس مورد نظر است که در این حالت سینوسی است. این اینورتر مدولاسیون عرض پالس، با مدار ساده و طرح کنترل ناهموار مشخص می شود که تکنیک SPWM برای به دست آوردن کنترل ولتاژ خروجی اینورتر و کاهش هارمونیک شکل موج آن است.

مقدمه:

مدارهای اینورتر اصلی وظیفه تبدیل برق ورودی DC به توان خروجی AC را انجام می دهند. اینورتر را می توان بر اساس پارامترهای زیادی به طور گسترده طبقه بندی کرد، اما با در نظر گرفتن یکی از آنها بر اساس آرایش کلیدهای الکترونیک قدرت، اینورتر نیم پل و اینورتر پل کامل است. یک اینورتر پل کامل دارای دو ساق است که از دو کلید نیمه هادی در هر یک از آنها تشکیل شده است که بار در نقاط مرکزی دو ساق متصل است.

شکل 1: مدار اینورتر پل کامل

همانطور که در شکل مشاهده می شود، چهار کلید نیمه هادی S1، S2، S3، S4 با بار متصل در نقاط میانی دو ساق چیده شده اند و از این رو حرف H را تشکیل می دهند، نام اینورتر H-Bridge نیز از همین شکل آرایش گرفته شده است. دیودهای هرزگرد برای همه سوئیچ ها وجود دارد. منبع DC ولتاژ به H-Bridge وصل می شود. سوئیچ های S1، S2، S3، S4 را می توان در سه ترتیب مختلف سوئیچ کرد وقتی S1 و S4 روشن می شوند + Vs در خروجی به دست می آید.
وقتی S2 و S3 روشن می شوند -Vs در خروجی به دست می آید.
وقتی S1 و S2 یا S3 و S4 با هم روشن می شوند ولتاژ صفر در خروجی به دست می آید.

II. مدولاسیون عرض پالس

تغییر پهنای پالس سیگنال PWM یک ولتاژ در سراسر بار را در یک الگوی خاص به بار به عنوان سیگنال AC ارائه می‌دهد. یک موج سینوسی خالص پس از عبور سیگنال از یک فیلتر پایین گذر به دست می آید. الگوی تغییر پهنای باند سیگنال PWM را می توان با استفاده از اجزای آنالوگ ساده یا یک میکروکنترلر دیجیتال پیاده سازی کرد. هر یک از دو ساق توپولوژی ها PWM سینوسی تولید می کنند که خروجی اینورتر را کنترل می کند.

سیگنال های PWM کاربرد گسترده ای در الکترونیک مدرن پیدا می کنند. برخی از این دلایل عبارتند از:

کاهش اتلاف توان-مدارای سوئیچینگ مصرف برق کمتری دارند زیرا دستگاه های سوئیچینگ تقریباً همیشه خاموش هستند (جریان کم به معنای توان کم) یا سخت روشن هستند (افت ولتاژ پایین به معنای توان کم).

تولیدآسان - سیگنال‌های PWM به راحتی تولید می‌شوند. بسیاری از میکروکنترلرهای مدرن شامل سخت افزار PWM در داخل تراشه هستند. استفاده از این سخت افزار اغلب زمان بسیار کمی را از ریزپردازنده می گیرد و می تواند بدون تداخل در اجرای کد در پس زمینه اجرا شود.
تبدیل دیجیتال به آنالوگ- پهنای پالس سیگنال PWM را می توان با دقت کنترل کرد. روش های ساده شمارش یکی از دلایلی است که می توان از سیگنال های PWM برای انجام تبدیل دیجیتال به آنالوگ استفاده کرد.

تکنیک PWM مورد نظر باید دارای ویژگی های زیر باشد:

بهره بالا از ولتاژ DC
خطی بودن کنترل ولتاژ
هارمونیک های مرتبه پایین کمتر در ولتاژ خروجی برای به حداقل رساندن هارمونیک جریان های خروجی.
تلفات سوئیچینگ کمتر در کلیدهای اینورتر.
زمان کافی برای عملکرد صحیح کلیدهای اینورتر و سیستم کنترل.
درSPWM (مدولاسیون عرض پالس سینوسی) دو سیگنال با هم مقایسه می شوند. سیگنال مرجع Modulating سینوسی و موج حامل مثلثی است. پالس های گیت با مقایسه دو سیگنال تولید می شوند و عرض هر پالس متناسب با دامنه موج سینوسی متفاوت است. فرکانس سیگنال مرجع، فرکانس خروجی اینورتر را تعیین می کند و حداکثر دامنه مرجع شاخص مدولاسیون و مقدار RMS ولتاژ خروجی را کنترل می کند.

شکل 2: اینورتر تک فاز H-Bridge

مدار اصلی اینورتر پل H برای هر دو طرح یکسان باقی می ماند. مدار پلH را شامل سوئیچ های IGBT همانطور که در شکل 2 برای اینورتر تک قطبی و دوقطبی نشان داده شده است.

III. اینورتر PWM دو قطبی

سوئیچ های بالایی و پایینی در یک پایه اینورتر با یک کلید روشن و دیگری خاموش به صورت مکمل کار می کنند. بنابراین ما باید تنها دو سیگنال دروازه‌ای مستقل Vg1 و Vg3 را در نظر بگیریم که با مقایسه موج تعدیل‌کننده سینوسی vm و موج حامل مثلثی vcr تولید می‌شوند. ولتاژ ترمینال اینورتر با VANوVBN و ولتاژ خروجی اینورتر VAB= VAN-VBN نشان داده می‌شود. از آنجایی که شکل موج VAB بین ولتاژهای dc مثبت و منفی سوئیچ می کند، این طرح PWM دوقطبی نامیده می شود.