Мостовой инвертор: принцип работы, схемотехника, встроенное ПО / Хабр

Содержание

Мостовой сварочный инвертор с микроконтроллерным управлением

Блок управленияпостроен на основе распространенного ШИМ-контроллера TL494 сзадействованием одного канала регулирования. Этот канал стабилизируетток в дуге. Задание тока формирует микроконтроллер с помощью модуляCCP1 в режиме ШИМ на частоте примерно 75 кГц. Заполнение ШИМ будетопределять напряжение на конденсаторе C1. Величина этого напряженияопределяет величину сварочного тока.

Настройка инвертора

    Силовая часть пока обесточена.Предварительно проверенный блок питания подключаем к блоку управления ивключаем его в сеть. На индикаторе загорятся все восьмёрки с точкой вмладшем разряде. Включаем осциллограф в провода Out1 и Out2.Контролируем наличие двухполярных импульсов частотой 40-50 кГц сполочкой мёртвого времени не менее 1,5 мкс между ними. Величинумёртвого времени можно подкорректировать, изменив напряжение на входеDT(4) у TL494. После этого нужно осциллографом проверить напряжение назатворах ключей. Там должны быть прямоугольные импульсы с фронтами неболее 500 нс, частотой 40-50 кГц и амплитудой 15-18 В.

    Если всё так, собираем полностью схемуинвертора и включаем его в сеть. На индикацию сначала будут выведенывосьмёрки, затем должно включиться реле и индикатор покажет 120 А. Есливосьмёрки продолжают гореть, значит напряжение в сварочных проводах непревышает 100 В. Ищем причину и устраняем её.

    Если всё так, то кликая кнопками пробуемизменять задание тока. Если удерживать одну из кнопок, то изменениезадания тока будет происходить автоматически. Изменение задания токадолжно пропорционально изменять напряжение на конденсаторе C1.

    Кликаем обе кнопки одновременно. Переходимв режим отображения температуры. Если показания температуры не верны,то подбирая сопротивление резистора R2, добиваемся точных показаний.

    Если всё так, устанавливаем задание 20 А ивключаем в сварочные провода нагрузочный реостат сопротивлением 0,5 Ом.Реостат должен выдерживать протекание тока не менее 60 А. К выводамшунта подключаем вольтметр магнитоэлектрической системы со шкалой на 75мВ, например прибор Ц 4380. На нагруженном инверторе пытаемся изменятьзадание тока и по показаниям вольтметра контролируем ток. Ток долженменяться пропорционально заданию. Выставляем задание тока 50 А. Еслипоказания вольтметра не соответствуют 50 А, то на выключенном инверторевпаиваем сопротивление R3 другого номинала. Подбирая сопротивление R3добиваемся соответствие задания тока измеренному.

    Если всё так, можно попытаться варить,после 1 минуты сварки током 120 А выключаем инвертор из сети и ищемсамый горячий радиатор. В этот радиатор необходимо вмонтировать датчиктемпературы.

Инструкция по эксплуатации

    При включении инвертора в сеть контроллеравтоматически выставляет величину задания сварочного тока 120 А. Еслипри включении, напряжение в сварочных проводах не превысит 100 В, тоиндикатор будет отображать восьмёрки, это свидетельствует онеисправности. При нормальном запуске восьмёрки должны сменитьсяотображением задания тока 120 А. Кликая кнопками можно изменитьвеличину задания в пределах от 20 до 160 А.

Еслинужно контролировать температуру инвертора во время работы, необходимокликнуть обе кнопки одновременно, при этом индикатор будет показыватьтекущую температуру радиатора.

Если температура радиатора во время работыпревысит 75 градусов, то независимо от режима индикации, которая была вэтот момент, индикатор начнёт отображать температуру радиатора,включится прерывистый звуковой сигнал. Работа инвертора при этом неблокируется, но величина задания тока будет автоматически сброшена до20 А.    Как только температура понизится ниже 65градусов прерывистый звуковой сигнал выключится, индикация будет той,которая была до превышения температуры. Задание тока будет 20 А.     Если произойдёт обрыв датчика температуры,индикатор выдаст код ошибки Ert1, включится прерывистый звуковойсигнал. Работа инвертора при этом не блокируется, но величина заданиятока будет автоматически сброшена до 20 А.    Если произойдёт замыкание датчикатемпературы, индикатор выдаст код ошибки Ert0, включится прерывистыйзвуковой сигнал. Работа инвертора при этом не блокируется, но величиназадания тока будет автоматически сброшена до 20 А.

Прошивка для микроконтроллераPIC16F876:

В HEX формате :     most.rar      
В SFR формате :      most.sfr          

Автор конструкции:  Руслан Липин

Связаться с автором можно по email

Мостовая схема параллельного тиристорного инвертора. Принцип работы схемы

В цепях постоянного тока выключение тиристора обеспечивается путём включения параллельно тиристору ранее заряженного конденсатора с напряжением, полярность которого обратна по отношению к тиристору (принудительная коммутация). Рис. 2.

Рис. 2 Мостовая схема параллельного тиристорного инвертора

По способу включения конденсатора С с нагрузкой тиристорные инверторы делят на: параллельные, последовательные и последовательно-параллельные.

Принцип действия мостового инвертора (рис. 2):

Тиристоры открываются попарно (VS1 и VS3, VS2 и VS4) на время равное Т / 2 под воздействием положительных импульсов тока, которые подаются от схемы управления в управляющие электроды тиристоров. Выходной ток инвертора распределяется между нагрузкой и конденсатором, заряжая конденсатор полярностью, указанной на рисунке 2 без скобок. При t = T/2 схема управления посылает импульсы и включает тиристоры VS2 и VS4. Конденсатор оказывается закороченным. Ток заряда конденсатора, протекая навстречу анодному току тиристоров VS1 и VS3, уменьшает его до 0 практически мгновенно из-за малости сопротивления в контуре разряда конденсатора через тиристоры.

После падения анодного тока тиристоров VS1 и VS3 до 0 к ним прикладывается обратное напряжение, равное напряжению на конденсаторе. VS1 и VS3 запираются. Конденсатор перезаряжается через VS2 и VS4, приобретая противоположную. Полярность, необходимую для осуществления коммутации на следующем полупериоде, когда включаются VS1 и VS3. Перезаряд конденсатора должен быть медленным.



Контрольные вопросы:

1. Что такое тиристорный инвертор?

2. Какие элементы в качестве коммутационных использует в тиристорных инверторах?

3. Где применяют тиристорные инверторы?

4. Принцип работы инвертора тока и инвертора напряжения?

5. Какое назначение дросселя на входе схемы инвертора тока?

6. Зачем необходим конденсатор, подключенный параллельно к источнику питания, в схеме инвертора напряжения?

7. В чем заключается главная проблема при проектировании инверторов?

8. Что такое принудительная коммутация, т.е. как осуществляется выключение тиристора в цепях постоянного тока?

ИНВЕРТОРЫ, ВЕДОМЫЕ СЕТЬЮ

Как уже отмечалось, инвертированием называется процесс преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока. Если при этом приемная часть такого преобразователя (нагрузка) не имеет других источников питания, то инвертор называется автономным. Если же инвертор преобразует энергию постоянного тока и отдает ее в сеть, где есть другие источники, то он называется инвертором, ведомым сетью (ИВС), или просто ведомым.


ИВС выполняют практически по таким же схемам, что и управляемые выпрямители. На рис. 1, а показана простейшая схема однофазного двухполупериодного ИВС. В качестве источника энергии используется обычная машина постоянного тока (МПТ), которая может работать в режиме как двигателя, так и генератора.

Рис. 1. Однофазный ведомый инвертор (а) и диаграммы его работы (б-д)

Выходным звеном инвертора, работающего на сеть переменного тока, является трансформатор, параметры которого (количество обмоток и число витков) определяют значение и число фаз получаемого переменного напряжения.

Для получения такого напряжения необходимо обеспечить периодический переход тока из одной обмотки в другую. Это достигается путем прерывания постоянного тока и распределения его по фазам трансформатора с помощью управляемых вентилей.

Чтобы изменить направление потока энергии, следует изменить знак мощности , развиваемой выпрямителем.

Так как направление тока изменить нельзя вследствие односторонней проводимости тиристоров, то изменить знак Pdможно только изменением знака , что достигается в управляемом выпрямителе увеличением угла управления

При выпрямлении источником энергии является сеть, поэтому при кривая тока , потребляемого от сети, совпадает по фазе с напряжением питания (рис. 1,б). Если , то форма тока близка к прямоугольной, тиристор VD1 работает в первом полупериоде, VD2 — во втором и машина работает в двигательном режиме (рис. 1, в, полярность на клеммах указана на рис. 1, а).

При работе схемы в качестве инвертора источником питания служит машина постоянного тока, причем полярность на ее клеммах — обратная (на рис. 1, а в скобках).

Изменение полярности источника постоянного тока одно из обязательных условий перехода схемы в режим инвертирования. При этом фазовый сдвиг между составит (рис. 1,г), а тиристоры будут работать в обратной последовательности: в первом полупериоде — VD2, во втором — VD1 (рис. 1, д).

Таким образом, тиристоры находятся в открытом состоянии при отрицательной полярности напряжений вторичных обмоток трансформатора, при этом осуществляются поочередное подключение обмоток трансформатора через дроссель к источнику постоянного тока и передача энергии в сеть.

Ранее проводивший тиристор запирается под действием обратного напряжения сети со стороны вторичных обмоток, отсюда и название инвертора — ведомый.

К ранее проводившему тиристору при отпирании очередного прикладывается обратное напряжение, равное сумме напряжений двух вторичных обмоток только в том случае, если очередной тиристор отпирается в момент, когда на подключенной к нему обмотке имеет место напряжение положительной полярности. Т. е. реальное значение угла а должно быть меньше п на некоторый угол , иначе говоря , или

, или (рис. 2).

Рис. 2. Диаграмма работы тиристора в ИВС

Если же очередной тиристор будет отпираться при , то условие запирания ранее проводившего тиристора не будет выполнено, он останется открытым, будет создана цепь короткого замыкания источника постоянного тока через вторичные обмотки трансформатора и ИВС выйдет из строя. Такое явление называется опрокидыванием инвертора.

Таким образом, второе условие перехода схемы в режим инвертирования — протекание тока через тиристоры при отрицательном напряжении на обмотках.

Трехфазные инверторы применяются значительно чаще чем одно­фазные. Схема трехфазного ИВС подобна данной схеме, только вместо нагрузки последовательно с дросселем включается источник постоянного тока, а выходной частью схемы служит первичная обмотка трансформатора, включенная на ведомую сеть. Характеристики и параметры трехфазного ИВС аналогичны однофазному..34эм.03.12.14г.

Лекция № 6

«Силовые схемы полупроводниковых преобразователей»(ПП)

В основе всех силовых ПП лежат трехфазные мостовые или, реже, лу­чевые (нулевые) вентильные группы (рис. 9.7).

Силовая схема трехфазного мостового управляемого выпрямителя и трехфазного ведомого сетью инвертора состоят из одной мостовой вен­тильной группы. При этом силовые схемы выпрямителя и инвертора не отличаются между собой (рис. 9.7, б),

Рис. 9.7. Вентильные группы: а – лучевые; б – мостовые

Преобразователь частоты со звеном постоянного тока состоит из двух мостовых вентильных групп, включенных последовательно, одна из кото­рых работает в режиме выпрямителя, а другая – инвертора.

В качестве вы­прямителя применяют неуправляемый или управляемый выпрямитель, в качестве инвертора – автономный или ведомый инвертор.

Силовая схема двухзвенного преобразователя частоты на базе ведомого инвертора пред­ставлена на рис. 9.8.

Рис. 9.8, ППЧ со звеном постоянного тока на базе ВИ; 1 – управляемый выпрямитель; 2 ведомый инвертор; 3 – дроссель

Данный преобразователь является обратимым, т.е. может проводить электроэнергию в обоих направлениях.

Двухзвенные преобразователи на базе Автономного Инвертора сложнее и дороже, однако могут работать на сеть с любой нагрузкой и не требуют источника ЭДС в питающей сети.

Принципиальная схема силовой части двухзвенного ПП на базе АИ представлена на рис. 9.9.

Рис. 9.9. ППЧ со звеном постоянного тока на базе АИ: 1 неуправляемый выпрямитель;2 – автономный инвертор напряжения

Силовая схема автономного инвертора состоит из трех вентильных мостов.

Два диодных моста работают в режиме неуправляемых выпрямите­лей, а мост на транзисторах – в режиме автономного инвертора.

Второй неуправляемый мостовой выпрямитель на диодах, включенный встречно параллельно инвертору, необходим для исключения электрического пробоя транзисторов при их коммутации.

Конденсатор в звене постоянного тока является для преобразователя источником напряжения.

Непосредственные полупроводниковые преобразователи частоты (ППЧ) могут проводить электрическую энергию в обоих направлениях, т.е. являются обратимыми.

КПД у данных преобразователей несколько выше, чем у двухзвенных.

Недостатком является ограничение величины выходной частоты, как правило, на уровне 30 — 40 % от входной.

Кроме того, общее количество вентилей у данных преобразователей выше, что повышает их стоимость, усложняет систему управления, повышает массу и габариты.

По схеме соединения силовой цепи непосредственные ППЧ могут выполняться с нулевыми (лучевыми) или мостовыми вентильными группа­ми.

Принципиальная схема преобразователя с лучевыми вентильными группами приведена на рис. 9.10.

Рис. 9.10. Непосредственный ППЧ с нулевыми вентильными группами

Силовая схема непосредственного ППЧ с нулевыми вентильными группами содержит 18 тиристоров, объединенных в шесть вентильных групп, включенных попарно встречно-параллельно.

Достоинства непо­средственных ППЧ, выполненных по схеме с нулевыми вентильными группами, заключаются в :

-относительно малом числе тиристоров,

-простоте силовой схемы и системы управления,

-возможности включения нагрузки в трехфазную группу без применения многообмоточного трансформатора.

На рис. 9.11 представлена силовая схема непосредственного ППЧ, выполненного на базе шести мостовых вентильных групп.

Рис. 9.11. Непосредственный ППЧ с мостовыми вентильными группами

К достоинствам непосредственных ППЧ, выполненных с использова­нием трехфазных мостовых вентильных групп, следует отнести то, что амплитуда пульсаций в кривой выходного напряжения, по сравнению с трехфазной нулевой схемой, уменьшается примерно в два раза при од­новременном увеличении вдвое частоты пульсаций.

Это существенно по­вышает качество выходного напряжения, позволяя на выходе преобразо­вателя получить более высокое значение частоты.

Однако, из-за образова­ния короткозамкнутых контуров, в преобразователе данного типа недопустима гальваническая связь между цепями нагрузки отдельных фаз. Поэтому в схемах непосредственных ППЧ с мостовыми вентильными группами для исключения контуров короткого замыкания, возникающих при коммутации вентилей, необходимо обеспечивать потенциальное раз­деление фаз за счет применения силовых трансформаторов на входе или выходе преобразователей.31эм.01.12.14г.32.эм.05.12.14г.

Лекция № 7

Управление асинхронными двигателями(АД) с использованием тиристорных преобразователей частоты(ТПЧ)

В электроприводе ТПЧ в основном служат для регулирования частоты тока, поступающего на статор АД.

Изменяющийся по частоте ток приводит к изменению угловой скорости поля статора, в результате пропорционально изменяется угловая скорость ротора. Плавное изменение частоты тока статора и широкий диапазон ее изменения позволяют плавно изменять угло­вую скорость АД в широких пределах.

Мостовой и полумостовой инверторы. Принцип действия, особенности работы

К двухтактным
относятся также мостовые и полумостовые
схемы. На рис.5.9а приведена силовая
цепь мостового инвертора, а на рис. 5.9б
– диаграмма работы при активной нагрузке.
Ключи работают попарно и поочерёдно
(VT1,VT4
и VT2,VT3).
Потери здесь больше, чем в обычной
схеме, поскольку в цепи тока включены
последовательно два ключа. Напряжение
на закрытом ключе равно всего Eк,
поэтому такая схема предпочтительна
при высоких напряжениях питания. Форма
напряжения на нагрузке и форма тока
совпадают.

Рисунок 5.9 –
Мостовой инвертор/ На практике нагрузка
редко бывает активной, обычно она имеет
индуктивный характер и ток в первичной
обмотке не может измениться мгновенно.

В мостовых схемах
инверторов имеется четыре управляемых
ключа и довольно сложная схема управления.
Уменьшить число ключей позволяет
полумостовая схема инвертора, которая
приведена на

Полумостовой
инвертор

Здесь конденсаторы
С1 и
С2
создают искусственную среднюю точку
источника
.
При открытом VT1
С1
разряжается на нагрузку и подзаряжается
С2,
а при открытом VT2
– наоборот ( С2
разряжается на нагрузку и подзаряжается
С1).
Напряжение, прикладываемое к первичной
обмотке трансформатора равно напряжению
на одном конденсаторе.

  1. Корректор коэффициента мощности.

Для повышения

в настоящее время используют пассивные
и активные корректоры коэффициента
мощности (ККМ).

Рисунок 6.1 –
Упрощенная схема активного ККМ

На этом рисунке
R1,
R2
– датчик входного напряжения (ДН), R3
– датчик тока (ДТ). Индуктивность L,
ключ VT1,
диод VD1
и конденсатор С1
образуют импульсный повышающий
стабилизатор напряжения. Работа ККМ
поясняется эпюрами рис.6.1б. Замыкание
транзистора VТ1
происходит
в момент времени, когда напряжение на
выходе датчика тока ДТ становится равным
нулю (т. е. при нулевом токе в индуктивности
L).
Размыкание
транзистора VТ1
происходит
в момент времени, когда линейно нарастающее
напряжение с датчика тока становится
равным изменяющемуся по синусоидальному
закону напряжению с датчика напряжения
ДН. После размыкания транзистора ток в
индуктивности начинает спадать,
индуктивность разряжается на нагрузку
через диод VD1,
ДТ и сеть. При нулевом значении тока
транзистор
вновь
замыкается. Далее процесс повторяется.
Частота коммутации ключа превышает
частоту сети и составляет десятки…сотни
килогерц. Усредненный ток iср
в индуктивности и потребляемый от сети,
повторяет форму напряжения сети. По
высокой частоте работы ключа сеть
шунтируют конденсатором С2
(обычно это доли мкФ). Можно дополнительно
ввести обратную связь по выходному
напряжению и обеспечить предварительную
стабилизацию. Очевидно, что работа ККМ
возможна, если амплитуда входного
напряжения меньше напряжения на
конденсаторе С1
(с учётом отклонений). Для напряжения
сети 220В (амплитуда 311В), выходное
напряжение ККМ принимают равным 380…400В.
Разновидности ККМ

В рассмотренной выше схеме ККМ
используется, так называемый, метод
граничного управления. Он наиболее
прост в реализации, но размыкание ключа
производится при значительном токе,
что связано с существенными потерями
мощности.

Известны
и другие методы управления ключом в
ККМ 1. управление
по пиковому значению тока 2.
метод
разрывных токов с ШИМ. 3.управление
по среднему значению тока.

3.2. Схема мостового инвертора напряжения

Рассмотренная
ранее схема двухтактного инвертора со
средней точкой в первичной обмотке
трансформатора не явля­ется единственной.
Находят применение мостовая и полумостовая
схемы (рис. 3.6).

Рис.3.6. Схема мостового инвертора

По сравнению с
двухтактной схемой мостовая содержит
в два раза больше транзисторов и диодов,
но в ней более простой силовой
транс­форматор (одна первичная и одна
вторичная обмотки). Транзисторы
комму­тируются попарно. В течение
одного полупериода в состоянии отсечки
нахо­дятся транзисторы VT1
и VT4,
а в состоянии насыщения – транзисторы
VT2
и VT3.
В течение другого полупериода открыты
тран­зисторы VT1
и VT4,
а заперты транзисторы VT2
и VТ3.

Такое переключение
обеспечивает смену полярности напряжения
на первичной обмотке трансформатора
каждые пол­периода. На базы транзисто­ров
VT1и VT4
(VT2
и VT3)
возбуждающее
напряжение должно подаваться в противофазе
с отдельных, гальвани­чески развязанных
обмоток трансформа­тора, что усложняет
схему возбуждения.

3.3. Линейные процессы в силовой цепи преобразователя напряжения

В состав
преобразователя (рис. 3.5, а)
входят
двухтактный инвертор, выпол­ненный
по схеме со средней точкой в первичной
обмотке трансформатора и выпрямитель
с нагрузкой, начинающейся с индуктивного
элемента. Включенный в схему выпрямителя
дополнительный диод VD7
разгружает
диоды от токов разрядки дросселя L.

Примененная ранее
схема устранения сквозных токов будет
эффектив­ной, если τв
= Т/2.
Однако в
данном случае работа этой схемы имеет
некото­рые особенности, связанные с
переключением диодов входящего в
преобра­зователь выпрямителя. Чтобы
не останавливаться на них и отделить
линей­ные процессы от коммутационных,
будем считать, что транзисторы включа­ются
и выключаются мгновенно, но их выключение
происходит с задержкой Tрт,
равной времени рассасывания заряда
неосновных носителей в базе.

Если длительность
возбуждающих импульсов τв
(рис. 3.5, б,
в
)
выбрана
такой, что в сумме (со временем рассасывания
заряда неосновных носителей в базах
транзисторов) она остается меньше
длительности полупериода T/2
возбуждающего напряжения, то на вторичной
обмотке трансформатора создается
переменное напряжение u2
прямоугольной формы с нулевыми паузами
(рис. 3.5, г).
По графику (см. рис. 3.5, г)
находят интервалы времени зарядки и
разрядки дросселя L
и определяют
форму тока, проходящего по его обмотке.
Тогда

(3.1)

где r
сопротивление
зарядной цепи, состоящее из пересчитанных
во вто­ричную обмотку Т1
сопротивлений насыщенного транзистора
и обмоток трансформатора, сопротивления
открытых выпрямительных диодов и
актив­ные
сопротивления обмотки дросселя L.
Иногда
падения напряжений на тран­зисторах
силовой цепи и диодах выпрямителя
учитывают, вводя напря­жение на
насыщенном транзисторе Uкн
и
прямое напряжение на открытом диоде
икн.
В
этом случае соотношение (3.6)
примет вид

(3.2)

Так как в
трансформаторах, работающих на высокой
частоте, и в об­мот­ке дросселя L
относительно
мало число витков, то можно пренебречь
по­следним
членом в (3.7)
и вычислить выходное напряжение по
простой прибли­женной
формуле (3.6).

Если
бы была применена схема выпрямления
со средней точкой во
вторичной обмотке трансформа­тора,
то из трансформированной ЭДС
вычи­талось падение на­пряжения на
одном, а не на двух диодах.

Магнитная
индукция в магнитопроводе
силового трансформатора T1
из­меняется согласно линейно ло­маной
зависимости (имеет трапе­цеидальную
форму во времени, рис.
3.5, е).
При
открытом силовом транзисторе
индукция либо нарас­тает, либо спадает
линейно и ос­тается
постоянной и равной Вт
в
течение
паузы

Так как за интервал
Т
магнитная индукция изменяется
на удвоенную амплитуду, то

(3.3)

где W1

число витков в первичной полуобмотке
трансформатора; S
– пло­щадь сечения магнитопровода.

В высокочастотных
преобразователях широ­кое применение
находят трансформаторы с ферритовым
магнитопроводом. Магнитная проницаемость
термостабильного феррита не так уж
велика, и часто оказывается, что ток
намагничивания трансформатора заметен
в сравнении с рабочим током пер­вичной
обмотки и его следует учитывать. Ток
намагничивания имеет форму, совпадающую
с формой магнитной ин­дукции ( рис.
3.5, е).

Рис. 3.5. Схема двухтактного преобразователя
напряжения (а), эпюры напряжений
(би)

Ток коллектора
первого транзистора iк1
состоит из,
трансформировав­шегося в первичную
полуобмотку выпрямленного, но не
сглаженного тока i0,
т. е. тока дросселя, и тока намагничивания
iμ
(рис. 3.5, ж).
Поэтому
мож­но записать

(3.4)

Ток iк2
имеет форму, аналогичную форме тока
iк1,
но сдвинут по фазе на половину периода.

Чтобы силовые
транзисторы не выходили из состояния
насыщения, не­обхо­димо выполнить
условие

. (3.5)
Токи диодов состоят
из
трапецеи­дальных импульсов,
соответствующих току дросселя i0
и ступенек, являю­щихся трансформированными
во вторич­ную обмотку частями тока
на­магничивания (рис. 3.5, з).
На интервале
0 ÷ τ
транзистор VT1
открыт, и в
его коллекторной цепи проходит ток
iк1=ni0+iμ.
Когда силовой транзистор запира­ется,
составляющие тока iк1,
вызван­ные на­личием дросселя, во
вторичной и в пер­вичной обмотках
пропадают, так как от­крывается диод
VD7
(рис. 3.5, и)
и ток дросселя
замыкается ми­нуя вентили и обмотку
трансформатора выпрями­теля. Вместе
с тем при запирании силового транзистора
цепь, по ко торой проходил ранее ток
на­магничивания, разрыва­ется и
последний переходит во вторичную
обмотку, где создается послеимпульс,
запирающий ранее откры­тые и отпи­рающий
ранее закрытые выпрямитель­ные диоды.
Таким образом, в течение нулевой паузы
по вторичной обмотке проходит ток Iμ/п
намагничи­вания через диоды, которые
должны открыться в следующем полупериоде.
Сопротивления
открытых вентилей и диода VD7
малы, и
возникший режим близок к короткому
замыканию во вторичной обмотке.
Следовательно, ток намагничивания
магнитопровода трансформа­тора Т1
в течение
паузы прак­тически не изменяется.

Определим габаритную
мощность силового трансформатора T1.
Обычно
ее вычисляют, пренебрегая
пульсациями тока дросселя и потерями
напряжения. Для рассматриваемой схемы

Если бы выпрямитель
был собран по схеме со средней точкой
во вто­рич­ной обмотке, то габаритная
мощность трансформатора получилась бы
равной 1,4·I0U0,
потому что ток по каждой из вторичных
обмоток проходил бы в разные половины
периода и его действующее значение
стало бы равным

.

Если для регулировки
выходного напряжения преобразователя
исполь­зуют не широтно-импульсную
модуляцию, а какой-либо другой способ,
то выбирают напряжение возбуждения
длительностью τв
= T/2,
выпрями­тель с нагрузкой, начинающейся
с емкостного элемента, и применяют
описанную ранее схему устранения
сквозных токов. При этом

(3.7)

Более точные
соотношения будут приведены при
рассмотрении ком­мута­ционных
процессов в таком преобразователе.

Сварочные инверторы. Схемы подключения высокочастотных преобразователей

Довольно  часто для построения сварочного инвертора применяют основные  три типа высокочастотных преобразователей, а именно преобразователи включенные по схемам: асимметричный или косой мост, полумост, а также полный мост. При этом резонансные преобразователи являются подвидами схем полумоста и полного моста. По системе управления данные устройства можно поделить на: ШИМ (широтно-импульсной модуляцией), ЧИМ (регулирование частоты), фазовое управления, а также могут существовать комбинации всех трех систем.

Содержание:

Все выше перечисленные преобразователи имеют свои плюсы и минусы. Разберемся с каждым в отдельности.

Система полумост с ШИМ

Блок схема показана ниже:

Полумост с ШИМ

Это, пожалуй, один из самых простых, но не менее надежных преобразователей семейства двухтактных. «Раскачка» напряжения первичной обмотки трансформатора силового будет равна половине напряжения питания – это недостаток данной схемы. Но если посмотреть с другой стороны, то можно применить трансформатор с меньшим сердечником, не опасаясь при этом захода в зону насыщения, что одновременно является и плюсом. Для сварочных инверторов имеющих мощность порядка 2-3 кВт такой силовой модуль вполне перспективен.

Поскольку силовые транзисторы работают в режиме жесткого переключения, то для их нормальной работы необходимо ставить драйверы. Это связано с тем, что при работе в таком режиме, транзисторам необходим высококачественный управляющий сигнал. Также обязательно наличие безтоковой паузы, чтоб не допустить одновременное открытие транзисторов, результатом чего станет выход последних из строя.

Резонансный полумост

Довольно перспективный вид полумостового преобразователя, его схема показана ниже:

Резонансный полумост

Резонансный полумост будет немного проще, чем полумост с ШИМ. Это обусловлено наличием индуктивности резонансной, которая ограничивает максимальный ток транзисторов, а коммутация транзисторов происходит в нуле тока или напряжения. Ток, протекающий по силовой цепи, будет иметь форму синусоиды, что снимет нагрузку с конденсаторных фильтров. При таком построении схемы необязательно необходимы драйверы, переключение может осуществляться обычным импульсным трансформатором. Качество управляющих импульсов в данной схеме не столь существенно как в предыдущей, но безтоковая пауза все равно должна быть.

В данном случае можно обойтись без токовой защиты, а форма вольт-амперной характеристики ВАХ будет иметь падающий вид, что не требует ее параметрического формирования.

Выходной ток будет ограничиваться только индуктивностью намагничивания трансформатора и соответственно сможет достигать довольно таки значительных величин, в случае, когда возникнет короткое замыкание КЗ. Данное свойство положительно влияет на поджиг и горение дуги, но и его также необходимо учитывать при подборе выходных диодов.

Как правило, выходные параметры регулируются изменением частоты. Но и регулирование фазное тоже дает немного своих плюсов и является более перспективным для сварочных инверторов. Он позволяет обойти такое неприятное явление как совпадение режима короткого замыкания с резонансом, а также увеличивает диапазон регулирования выходных параметров. Применение фазовой регулировки может позволить изменять выходной ток в диапазоне от 0 до Imax.

Ассиметричный или «косой» мост

Это однотактный, прямоходовой преобразователь, блок схема которого приведена ниже:

Ассиметричный или косой мост

Данный тип преобразователя довольно популярен как у простых радиолюбителей, так и у производителей сварочных инверторов. Самые первые сварочные инверторы строились именно по таким схемам – асимметричный или «косой»  мост. Помехозащищенность, довольно широкий диапазон регулирования выходного тока, надежность и простота – эти все качества до сих пор привлекают производителей до сих пор.

Довольно высокие токи, проходящие через транзисторы, повышенное требование к качеству управляющего импульса, что приводит к необходимости использовать мощные драйвера для управления транзисторами, а высокие требования к выполнению монтажных работ в этих устройствах и наличие больших импульсных токов, которые в свою очередь повышают требования к конденсаторным фильтрам – это существенные недостатки такого типа преобразователя. Также для поддерживания нормальной работы транзисторов необходимо добавление RCD цепочек – снабберов.

Но несмотря на выше перечисленные недостатки и низкий КПД устройства по схеме асимметричный или «косой» мост все еще применяются в сварочных инверторах. В данном случае транзисторы Т1 и Т2 будут работать синфазно, то есть закрываться и открываться одновременно. В данном случае накопление энергии будет происходить не в трансформаторе, а в катушке дросселя Др1. Именно поэтому для того, чтоб получить одинаковую мощность с мостовым преобразователем необходим удвоенный ток через транзисторы, так как рабочий цикл при этом не будет превышать 50%. Более подробно данную систему мы рассмотрим в следующих статьях.

Полный мост с ШИМ

Представляет собой классический двухтактный преобразователь, блок схема которого показана ниже:

Полный мост с ШИМ

Данная  схема позволяет получать мощность в 2 раза больше, чем при включении типа полумост и в 2 раза больше чем при включении типа «косой» мост, при этом величины токов и соответственно потери во всех трех случаях будут равны. Это можно объяснить тем, напряжение питания будет равным напряжению «раскачки» первичной обмотки трансформатора силового.

Для того, чтоб получить одинаковые мощности с полумостом (напряжение раскачки 0,5Uпит.) необходим ток в 2 раза! меньше чем для случая полумоста. В схеме полного моста с ШИМ транзисторы будут работать поочередно – Т1, Т3 включены, а Т2, Т4 выключены и соответственно наоборот при изменении полярности. Через трансформатор тока отслеживают  и контролируют значения амплитудное тока протекающего через эту диагональ. Для его регулирования есть два наиболее часто применяемые способы:

  • Оставить неизменным напряжение отсечки, а изменять только длину импульса управления;
  • Проводить изменения уровня отсекающего напряжения по данным с трансформатора тока при этом оставляя неизменным длительность импульса управления;

Оба способа могут позволить проводить изменения выходного тока в довольно больших пределах.  У полного моста с ШИМ недостатки и требования такие же, как и у полумоста с ШИМ. (Смотри выше).

Резонансный мост

Является наиболее перспективной схемой высокочастотного преобразователя для сварочного инвертора, блок схема которого показана ниже:

Резонансный мост

Резонансный мост не сильно отличается от полного моста с ШИМ. Разница заключается в том, что при резонансном подключении последовательно с обмоткой трансформатора подключают резонансную LC цепочку. Однако ее появление в корне меняет процесс перекачки мощности. Уменьшатся потери, увеличится КПД, снизится нагрузка на входные электролиты и электромагнитные помехи уменьшатся. В данном случае драйверы на силовые транзисторы нужно применять только в случае если будут использованы MOSFET транзисторы, которые имеют емкость затвора более 5000 pF. IGBT могут обойтись лишь наличием импульсного трансформатора. Более подробные описания схем будут приводится в следующих статьях.

Управление выходным током может производится двумя способами – частотным и фазовым. Оба эти способы описывались в резонансном полумосте (смотри выше).

Полный мост с дросселем рассеивания

Схема его ничем практически не отличается от схемы резонансного моста или полумоста, только вместо резонансной цепи LC  последовательно с трансформатором включают не резонансную LC цепь. Емкость С, примерно С≈22мкф х 63В, работает как симметрирующий  конденсатор, а индуктивное сопротивление дросселя L как реактивное сопротивление, величина которого будет линейно изменятся в зависимости от изменения частоты. Преобразователь управляется частотным способом. Как известно нам с электротехники, при увеличении частоты напряжения сопротивление индуктивности возрастет, что уменьшит ток в силовом трансформаторе. Довольно простой и надежный способ. Поэтому довольно большое количество промышленных инверторов строят по такому принципу ограничения выходных параметров.

8.1.2. Трехфазный мостовой инвертор, ведомый сетью

Трехфазные
инверторы отличаются от однофазных
лучшим использованием тиристоров по
току и напряжению, а также более высоким
коэффициентом мощности. При меньшей
амплитуде и более высокой частоте
пульсаций напряжения Ud
для сглаживания тока
требуется реактор с существенно меньшей
индуктивностью.

Электромагнитные
процессы в трехфазном мостовом ведомом
инверторе (рис.8.6, а) качественно подобны
процессам в рассмотренном однофазном
инверторе. Режим инвертирования
характеризуется значением угла

при той же последовательности отпирания
тиристоров (рис.8.6,б), что и в управляемом
выпрямителе (рис.8.6). Связь между углами

и

та
же, что и ранее
.
Указанным значениям угласоответствует
отпирание тиристоров и протекание через
них тока при преимущественно отрицательной
полярности фазных напряжений. Поэтому
и здесь напряжение Ud(рис.8.6, в),
составляемое из участков линейных
напряжений отрицательной полярности
и определяющая противо ЭДС инвертора
Ud,
имеет полярность, обратную режиму
выпрямления (рис.8.6,а). Принцип построения
кривой напряжения Ud
тот же, что и для выпрямления.

Кривые
токов тиристоров на рис.8.6,г показаны с
учетом коммутационных процессов в
предположении идеального сглаживания
тока
( рис.8.6,в), т.е. приLd.
Процесс коммутации протекает так же,
как и в управляемом выпрямителе. При
отпирании очередного тиристора (например,
тиристора 3) линейное напряжение
(рис.8.6), на которое подключены тиристоры,
иметь полярность: необходимую для
запирания тиристора, заканчивающего
работу; отпирания тиристора, вступающего
в работу. Процесс коммутации продолжается
в течение интервала

и характеризуется наличием в
короткозамкнутом контуре тока

(рис.8.6,а,б). На интервале коммутации
кривая напряжения Ud
определяется полусуммой напряжений
этих фаз.

Рис.8.6.
Электромагнитные процессы в трехфазном
инверторе

По
окончании коммутации к заканчивающему
работу тиристору в течение интервала
δ
прикладывается обратное напряжение,
необходимое для его запирания.

С
учетом процесса коммутации длительность
проводящего состояния тиристора
,
как и выпрямителя, увеличивается на
угол
,
т.е.

.

Среднее
значение тока, равное в однофазной
схеме с нулевым выводом Id/2,
здесь составляет Id/3.
Вид кривой напряжения на тиристоре
показан на рис.8.6,д. Она построена из
кривых напряжений (рис.8.6,б), определяющих
потенциалы анода и катода тиристоров.
Максимальное напряжение на тиристоре,
как и в выпрямителе, равно амплитуде
линейного напряжения и составляет
.

Процессы
коммутации, как следует из анализа
предыдущей схемы, оказывают существенное
влияние на характеристики и показатели
ведомого инвертора.

Получающиеся
для мостового инвертора соотношения
подобны соответствующим соотношениям
для однофазного выпрямителя. Указанное
обстоятельство используется при
анализе рассматриваемой схемы ведомого
инвертора.

Ток
коммутации

, равный сумме свободной и принужденной
составляющих, при отсчете его от
момента коммутации описывается
соотношением ( 8.5)

.
(8.23) С учетом сомножителя

формулы (8.6)-(8.8) для трехфазного
мостового инвертора принимают форму

;
(8.24)

;
(8.25)

.
(8.26)

Среднее
значение противо-ЭДС инвертора с учетом
явления коммутации определяется
выражением (8.14) при
,
а его максимально допустимое значение
– соотношением (8.15).

Уравнение входных
характеристик инвертора

(8.27) и уравнения ограничительной
характеристики

(8.28)

здесь
те же, что и для однофазного инвертора.
Вид характеристик, показанных на
рис.8.5,б остается справедливым и для
трехфазного мостового ведомого
инвертора .

Коэффициент
мощности определяется по кривым
напряжения
и
токана рис.8.6,е. С учетом коэффициента
трансформации приведенные кривые
определяют напряжениеU1
и ток
первичной обмотки трансформатора.

Ток
создается токами тиристоров 1 и 4 и
является переменным. Согласно рис.8.6,е,
его первая гармоника

имеет такой же фазовый сдвиг

(8.29)

что и в однофазном
инверторе

.

При
неучете процесса коммутации в предположении
прямоугольной формы кривой тока
на рис.8.6,е ее гармонический состав
определяется рядом

.
(8.30)

Коэффициент
искажения, как и для трехфазного
управляемого выпрямителя, cоставляет

. (8.31)

Однофазный мостовой инвертор напряжения с шим на основной частоте.

Принцип работы
заключается в том, что моменты переключения
транзисторов второй стойки (VT2,VT4)
задерживаются относительно моментов
переключения транзисторов VT1,
VT3
1-ой стойки на угол регулирования .
При этом в интервале времени от 0 до 
к нагрузке будет приложено полное
напряжение источника, а в интервале
времени от 
до 
нагрузка оказывается закороченной и
напряжение в нагрузке равно 0. Уменьшая
величину 
от 
до 0, тем самым уменьшаем длительность
интервала, в котором к нагрузке приложено
напряжение источника и тем самым
регулируют выходное напряжение от
напряжения источника до 0. При этом
меняется как среднее, так и действующее
значение выходного напряжения.

Недостатки такого
управления:

При глубоком
регулировании выходного напряжения
ухудшаются гармонический состав кривой
напряжения на нагрузке.

Однофазный мостовой инвертор с шим на высокой частоте.

При этом способе
в пределах каждого полупериода применяют
многократную коммутацию транзисторов
2-й стойки, транзисторы 1-й стойки в данном
полупериоде находятся в стационарном
состоянии, то есть без переключений.
Частота коммутации транзисторов 2-й
стойки соответствует высокой частоте,
которая приблизительно в 20 или большее
число раз больше частоты выходного
напряжения. В следующем полупериоде
транзисторные стойки в функциональном
отношении меняют местами, то есть
многократную коммутацию выполняют на
транзисторах 1-й стойки, а транзисторы
второй стойки находятся в стационарном
состоянии.

При таком способе
выходное напряжение формируется из
большого количества импульсов и
относительно легко фильтруются, причем
данный способ позволяет формировать
выходное напряжение по любому требуемому
закону, напряжение по синусоидальному.
Это объясняется тем, что среднее значение
напряжения, которое выделяется на выходе
фильтра определяется как:

Реализация схемы
управления:

Схема управления
содержит: мультивибратор (МВ), генерирующий
импульсы высокой частоты, которые
синхронизируют генерацию пилообразного
напряжения (ГПН). Высокочастотные
импульсы поступают на вход счетчика
СЧ. Количество разрядов счетчика
определяют длительность периода
выходного напряжения.

Выходные сигналы
счетчика поступают на цифро-аналоговый
преобразователь (ЦАП), на выходе которого
формируются 2 одинаковых напряжения
управления UУ,
находящихся в противофазе (UУ1,
UУ2).
Напряжение управления UУ1
вместе с пилообразным напряжением
поступают на компаратор СУ1, на выходе
которого формируются сигналы на включение
транзистора VT1
в тех интервалах времени, в которых
напряжение управления больше пилообразного.
Чтобы исключить короткое замыкание
между транзисторами одной стойки, сигнал
на включение VT3
формируется с выхода инвертора.
Аналогично, организуется формирование
управляющих импульсов транзисторами
другой стойки (VT2,
VT4),
для этого используется напряжение
управления UУ2.

Трехфазные транзисторные инверторы напряжения.

Они могут быть
выполнены из 3-х однофазных, либо на базе
3-х фазной мостовой схемы.

Схема однофазного полумостового и полномостового инвертора

с использованием MATLAB

Источник переменного тока (AC) используется почти для всех жилых, коммерческих и промышленных нужд. Но самая большая проблема с AC заключается в том, что его нельзя сохранить для будущего использования. Таким образом, переменный ток преобразуется в постоянный, а затем постоянный ток сохраняется в батареях и сверхконденсаторах. И теперь всякий раз, когда требуется переменный ток, постоянный ток снова преобразуется в переменный для работы устройств на базе переменного тока. Итак, устройство , которое преобразует постоянный ток в переменный, называется инвертором .

Для однофазных приложений используется однофазный инвертор. В основном существует два типа однофазных инверторов: полумостовой инвертор и полумостовой инвертор . Здесь мы изучим, как эти инверторы могут быть построены, и будем моделировать схемы в MATLAB.

Полумостовой инвертор

Для этого типа инвертора требуется два переключателя силовой электроники (MOSFET). MOSFET или IGBT используются для переключения. Принципиальная схема полумостового инвертора показана на рисунке ниже.

Как показано на принципиальной схеме, входное напряжение постоянного тока Vdc = 100 В. Этот источник разделен на две равные части. Теперь импульсы затвора подаются на полевой МОП-транзистор, как показано на рисунке ниже.

В соответствии с выходной частотой определяется время включения и время выключения полевого МОП-транзистора и генерируются стробирующие импульсы. Нам нужно переменного тока 50 Гц , поэтому период времени одного цикла (0 первого полупериода (0

Во втором полупериоде

Полномостовой инвертор

В инверторах этого типа используются четыре переключателя. Основное отличие полумостового инвертора от полномостового — это максимальное значение выходного напряжения. В полумостовом инверторе пиковое напряжение составляет половину напряжения питания постоянного тока. В полномостовом инверторе пиковое напряжение соответствует напряжению питания постоянного тока. Принципиальная схема полномостового преобразователя показана на рисунке ниже.

Импульс затвора для полевых МОП-транзисторов 1 и 2 одинаков.Оба переключателя работают одновременно. Точно так же полевые МОП-транзисторы 3 и 4 имеют одинаковые импульсы затвора и работают в одно и то же время. Но полевые МОП-транзисторы 1 и 4 (вертикальное плечо) никогда не работают одновременно. Если это произойдет, то произойдет короткое замыкание источника постоянного напряжения.

Для верхнего полупериода (0

Для нижнего полупериода

Моделирование полумостового инвертора в MATLAB

Для моделирования добавьте элементы в файл модели из библиотеки Simulink.

1) 2 источника постоянного тока — 50 В каждый

2) 2 полевых МОП-транзистора

3) Активная нагрузка

4) Генератор импульсов

5) НЕ ворота

6) Powergui

7) Измерение напряжения

8) НАЙТИ и ОТ

Подключите все компоненты согласно принципиальной схеме.Снимок экрана с файлом модели инвертора Half Bridge показан на рисунке ниже.

Импульс затвора 1 и импульс затвора 2 — это импульсы затвора для MOSFET1 и MOSFET2, которые генерируются схемой генератора затвора. Стробирующий импульс генерируется ГЕНЕРАТОРОМ ИМПУЛЬСОВ. В этом случае MOSFET1 и MOSFET2 не могут срабатывать одновременно. Если это произойдет, то произойдет короткое замыкание источника напряжения. Когда MOSFET1 закрыт, MOSFET2 будет открыт в это время, а когда MOSFET2 закрыт, MOSFET1 в это время открыт.Итак, если мы генерируем импульс затвора для любого одного полевого МОП-транзистора, мы можем переключить этот импульс и использовать его для другого полевого МОП-транзистора.

Генератор стробирующих импульсов

На изображении выше показан параметр для блока генератора импульсов в MATLAB . Период равен 2e-3 означает 20 мсек. Если вам нужен частотный выход 60 Гц, то период будет 16,67 мс. Ширина импульса выражается в процентах от периода. Это означает, что стробирующий импульс генерируется только для этой области.В этом случае мы устанавливаем его на 50%, это означает, что генерируется стробирующий импульс с периодом 50%, а стробирующий импульс с периодом 50% не генерируется. Фазовая задержка установлена ​​в 0 секунд, это означает, что мы не даем никакой задержки стробирующему импульсу. Если есть фазовая задержка, это означает, что стробирующий импульс будет сгенерирован после этого времени. Например, если фазовая задержка составляет 1e-3, то стробирующий импульс будет генерироваться через 10 мсек.

Таким образом, мы можем сгенерировать импульс затвора для MOSFET1, и теперь мы переключим этот импульс затвора и будем использовать его для MOSFET2.В моделировании мы будем использовать логический элемент НЕ. Логический элемент НЕ инвертирует выход, что означает, что он преобразует 1 в 0 и 0 в 1. Таким образом, мы можем точно получить противоположный импульс затвора, чтобы источник постоянного тока никогда не закрывался накоротко.

На практике мы не можем использовать 50% ширину импульса. Полевой МОП-транзистор или любой силовой электрический выключатель отключается за короткое время. Чтобы избежать короткого замыкания источника, ширина импульса установлена ​​около 45%, чтобы дать время для отключения полевых МОП-транзисторов. Этот период времени известен как Dead Time .Но для целей моделирования мы можем использовать 50% ширины импульса.

Форма выходного сигнала для полумостового инвертора

Этот снимок экрана показывает выходное напряжение на нагрузке. На этом изображении мы можем видеть, что пиковое значение напряжения нагрузки составляет 50 В, что составляет половину напряжения постоянного тока, а частота составляет 50 Гц. Для выполнения одного цикла требуется время 20 мсек.

Моделирование полного мостового инвертора в MATLAB

Если вы получаете выходной сигнал полумостового инвертора, то легко реализовать полный мостовой инвертор, потому что большинство вещей остается прежним.В полномостовом инверторе нам также нужны только два импульса затвора, что аналогично полумостовому инвертору. Один импульс затвора предназначен для полевых МОП-транзисторов 1 и 2, а обратный этому импульсу затвора — для полевых МОП-транзисторов 3 и 4.

Необходимые элементы

1) 4 — МОП-транзистор

2) 1 источник постоянного тока

3) Активная нагрузка

4) Измерение напряжения

5) Генератор импульсов

6) НАЗАД и ОТ

7) powergui

Подключите все компоненты, как показано на снимке экрана ниже.

Single Phase Full Bridge Inverter Circuit Diagram

Форма выходного сигнала для полномостового инвертора

Этот снимок экрана показывает выходное напряжение на нагрузке. Здесь мы видим, что пиковое значение напряжения нагрузки равно напряжению питания постоянного тока, равному 100 В.

Вы можете просмотреть полное видео по , как построить и смоделировать полумостовой и полный мостовой инверторы в MATLAB ниже.

.

Простейшая схема инвертора с полным мостом

Среди различных существующих топологий инвертора топология инвертора с полным мостом или H-мостом считается наиболее эффективной и действенной. Настройка полной мостовой топологии может повлечь за собой слишком большую критичность, однако с появлением интегральных схем с полным мостом они стали одними из самых простых инверторов, которые можно построить.

Что такое полномостовая топология

Полномостовой инвертор, также называемый H-мостовым инвертором, является наиболее эффективной топологией инвертора, в которой используются двухпроводные трансформаторы для подачи необходимого двухтактного колебательного тока в первичную обмотку.Это позволяет избежать использования 3-проводного трансформатора с центральным ответвлением, который не очень эффективен из-за того, что у них вдвое больше первичной обмотки, чем у 2-проводного трансформатора. Сегодня из-за легкой доступности микросхем мостовых драйверов все стало предельно просто, и создание схемы полного мостового инвертора в домашних условиях стало детской забавой.

Здесь мы обсуждаем схему полного мостового инвертора с использованием микросхемы полного моста IRS2453 (1) D от International Rectifiers.

Упомянутая микросхема представляет собой выдающуюся интегральную схему драйвера полного моста, поскольку она в одиночку берет на себя все основные критические проблемы, связанные с топологиями H-мостов, благодаря своей усовершенствованной встроенной схеме.

Сборщику просто нужно подключить несколько компонентов извне, чтобы получить полноценный рабочий инвертор с H-мостом.

Простота конструкции очевидна из приведенной ниже схемы:

Работа схемы

Выводы 14 и 10 — это выводы плавающего напряжения питания высокой стороны ИС.Конденсаторы емкостью 1 мкФ эффективно поддерживают эти важные выводы в тени выше, чем напряжения стока соответствующих МОП-транзисторов, гарантируя, что потенциал истока МОП-транзисторов остается ниже, чем потенциал затвора для требуемой проводимости МОП-транзисторов.

Резисторы затвора подавляют возможность перенапряжения стока / истока, предотвращая внезапное замыкание МОП-транзисторов.

Диоды на резисторах затвора вводятся для быстрой разрядки внутренних конденсаторов затвора / стока в периоды отсутствия проводимости для обеспечения оптимального отклика устройств.

Микросхема IRS2453 (1) D также имеет встроенный генератор, что означает, что для этой микросхемы не потребуется каскад внешнего генератора.

Всего пара внешних пассивных компонентов заботится о частоте для управления инвертором.

Rt и Ct могут быть рассчитаны для получения выходных частот 50 Гц или 60 Гц через MOSFET-транзисторы.

Расчет компонентов, определяющих частоту

Для расчета значений Rt / Ct можно использовать следующую формулу:

f = 1/1.453 x Rt x Ct

, где Rt в Омах, а Ct в фарадах.

Функция высокого напряжения

Еще одной интересной особенностью этой ИС является ее способность работать с очень высокими напряжениями до 600 В, что делает ее идеально подходящей для бестрансформаторных инверторов или компактных ферритовых инверторных схем.

Как видно на данной схеме, если доступное извне 330 В постоянного тока подается через «выпрямленные линии +/- переменного тока», конфигурация мгновенно превращается в бестрансформаторный инвертор, в котором любая предполагаемая нагрузка может быть подключена непосредственно через точки, отмеченные как «нагрузка».

В качестве альтернативы, если используется обычный понижающий трансформатор, первичная обмотка может быть подключена через точки, обозначенные как «нагрузка». В этом случае «выпрямленная линия + AC» может быть соединена с контактом №1 ИС и подключена к аккумулятору (+) инвертора.

Если используется батарея с напряжением выше 15 В, «выпрямленная линия + переменного тока» должна быть подключена непосредственно к плюсу батареи, в то время как контакт № 1 должен быть подключен к пониженному регулируемому напряжению 12 В от источника батареи с использованием IC 7812.

Несмотря на то, что показанная ниже конструкция выглядит слишком простой для сборки, компоновка требует соблюдения некоторых строгих правил, вы можете обратиться к посту для обеспечения правильных мер защиты для предлагаемой простой схемы полного мостового инвертора.

ПРИМЕЧАНИЕ. Соедините вывод SD IC с линией заземления, если она не используется для операции выключения.

Принципиальная схема

Простой H-мостовой или полный мостовой инвертор с использованием двух полумостовых ИС IR2110

На приведенной выше диаграмме показано, как реализовать эффективную конструкцию полномостового инвертора прямоугольной формы с использованием пары полумостовых ИС IR2110.

ИС представляют собой полноценные полумостовые драйверы, оснащенные необходимой сетью загрузочных конденсаторов для управления МОП-транзисторами высокого напряжения и функцией мертвого времени для обеспечения 100% безопасности для проводимости МОП-транзисторов.

ИС работают путем попеременного переключения МОП-транзисторов Q1 / Q2 и Q3 / Q4 в тандеме, так что в любом случае, когда Q1 включен, Q2 и Q3 полностью переключаются как OF и наоборот.

Микросхема способна производить вышеуказанное точное переключение в ответ на синхронизированные сигналы на их входах HIN и LIN.

Эти четыре входа должны быть активированы, чтобы гарантировать, что в любой момент HIN1 и LIN2 включаются одновременно, а HIN2 и LIN1 выключены, и наоборот. Это делается с удвоенной скоростью на выходе инвертора. Это означает, что если требуется, чтобы выход инвертора составлял 50 Гц, входы HIN / LIN должны генерироваться с частотой 100 Гц и так далее.

Схема генератора

Это схема генератора, оптимизированная для запуска входов HIN / LIN описанной выше схемы полномостового инвертора.

Одна микросхема 4049 используется для генерации необходимой частоты, а также для изоляции переменных входных каналов для микросхем инвертора.

C1 и R1 определяют частоту, необходимую для генерации полумостовых устройств, и могут быть рассчитаны по следующей формуле:

f = 1 / 1,2RC

В качестве альтернативы, значения могут быть получены методом проб и ошибок.

Дискретный полномостовой инвертор на транзисторе

До сих пор мы изучали топологии полномостового инвертора с использованием специализированных ИС, однако то же самое можно было бы построить с использованием дискретных частей, таких как транзисторы и конденсаторы, и независимо от ИС.

Простую диаграмму можно увидеть ниже:

О Swagatam

Я инженер-электронщик (dipIETE), любитель, изобретатель, разработчик схем / печатных плат, производитель. Я также являюсь основателем веб-сайта: https://www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими инновационными идеями и руководствами по схемам.
Если у вас есть какой-либо вопрос, связанный со схемой, вы можете взаимодействовать с ним через комментарии, я буду очень рад помочь!

.Схема инвертора с Н-мостом

с использованием 4-канальных МОП-транзисторов

В следующем сообщении описывается модифицированная схема синусоидального инвертора с Н-мостом, использующая четыре n-канальных МОП-транзистора. Давайте узнаем больше о работе схемы.

Концепция H-Bridge

Все мы знаем, что среди различных типов инверторов H-мост является наиболее эффективным, поскольку он не требует использования трансформаторов с центральным ответвлением и позволяет использовать трансформаторы с двумя проводами. . Результаты становятся еще лучше, когда задействованы четыре N-канальных МОП-транзистора.

С двухпроводным трансформатором, подключенным к H-мосту, соответствующая обмотка может проходить двухтактные колебания в обратном прямом направлении. Это обеспечивает лучшую эффективность, поскольку достижимый коэффициент усиления по току здесь становится выше, чем в обычных топологиях с центральным ответвлением.

Однако никогда не бывает легко получить или реализовать лучшие вещи. Когда в сети H-моста задействованы МОП-транзисторы идентичного типа, их эффективное управление становится большой проблемой. Это в первую очередь связано со следующими фактами:

Как мы знаем, топология H-bridge включает четыре МОП-транзистора для указанных операций.Поскольку все четыре из них относятся к N-канальному типу, управление верхними или боковыми МОП становится проблемой.

Это связано с тем, что во время проводимости верхние МОП-транзисторы испытывают почти такой же уровень потенциала на выводе источника, что и напряжение питания, из-за наличия сопротивления нагрузки на выводе источника.

Это означает, что верхние МОП-транзисторы имеют одинаковые уровни напряжения на затворе и истоке во время работы.

Поскольку согласно спецификациям, напряжение источника должно быть близко к потенциалу земли для эффективной проводимости, ситуация мгновенно запрещает конкретному МОП-транзистору проводить ток, и вся схема останавливается.

Для эффективного переключения верхних МОП-транзисторов на них должно подаваться напряжение затвора как минимум на 6 В выше, чем имеющееся напряжение питания.

Это означает, что если напряжение питания составляет 12 В, нам потребуется не менее 18–20 В на затворе полевых МОП-транзисторов на стороне высокого напряжения.

Использование 4 N-канальных МОП-транзисторов для инвертора

Предлагаемая схема инвертора с Н-мостом, имеющая 4-канальные МОП-транзисторы, пытается решить эту проблему, вводя сеть самонастройки с более высоким напряжением для работы МОП-транзисторов высокого напряжения.

Вентили N1, N2, N3, N4 НЕ от IC 4049 устроены как цепь удвоителя напряжения, которая генерирует около 20 вольт из имеющегося источника 12 В.

Это напряжение подается на полевые транзисторы верхнего плеча через пару NPN-транзисторов.

МОП-транзисторы нижнего уровня получают напряжение затвора непосредственно от соответствующих источников.

Частота колебаний (тотемный полюс) определяется стандартной интегральной схемой декадного счетчика, IC 4017.

Мы знаем, что IC 4017 генерирует последовательность высоких выходных сигналов на определенных 10 выходных контактах.Логика секвенирования затем отключается при переходе с одного вывода на другой.

Здесь используются все 10 выходов, так что у ИС никогда не будет шанса произвести неправильное переключение своих выходных контактов.

Группы из трех выходов, подключенных к МОП-транзисторам, обеспечивают разумную ширину импульса. Эта функция также предоставляет пользователю возможность настраивать ширину импульса, подаваемого на МОП-транзисторы.

Уменьшая количество выходов на соответствующие МОП-транзисторы, можно эффективно уменьшить ширину импульса и наоборот.

Это означает, что среднеквадратичное значение здесь до некоторой степени настраивается и придает схеме модифицированную способность синусоидальной схемы.

Тактовая частота IC 4017 берется из самой сети самонастраивающегося генератора.

Частота колебаний схемы самонастройки намеренно зафиксирована на уровне 1 кГц, так что она становится применимой также для управления IC4017, который в конечном итоге обеспечивает выходной сигнал около 50 Гц на подключенную 4-канальную схему H-мостового инвертора.

Предлагаемую конструкцию можно значительно упростить, как указано здесь:

https: // homemade-circuit.com / 2013/05 / full-bridge-1-kva-Inverter-circuit.html

Следующий простой полномостовой или полумостовой модифицированный синусоидальный инвертор был также разработан мной. Идея не включает в себя 2-канальные МОП-транзисторы и 2-канальные МОП-транзисторы для конфигурации Н-моста и эффективно реализует все необходимые функции безупречно.

Распиновка IC 4049

Поэтапная конфигурация схемы инвертора

Схема может быть разделена на три этапа, а именно.Каскад генератора, каскад драйвера и выходной каскад полного мостового МОП-транзистора.

Глядя на показанную принципиальную схему, идею можно пояснить следующими пунктами:

IC1, который является IC555, подключен в своем стандартном нестабильном режиме и отвечает за генерацию необходимых импульсов или колебаний.

Значения P1 и C1 определяют частоту и рабочий цикл генерируемых колебаний.

IC2, который представляет собой декадный счетчик / делитель IC4017, выполняет две функции: оптимизацию формы сигнала и обеспечение безопасного запуска для полного моста.

Обеспечение безопасного срабатывания МОП-транзисторов является наиболее важной функцией, которую выполняет IC2. Узнаем, как это реализовано.

Как устроена работа IC 4017

Как мы все знаем, выходные данные последовательностей IC4017 в ответ на каждый тактовый импульс нарастающего фронта, приложенный к его входному выводу №14.

Импульсы от IC1 инициируют процесс упорядочения, так что импульсы переходят с одного вывода на другой в следующем порядке: 3-2-4-7-1. Это означает, что в ответ на поданный каждый входной импульс на выходе IC4017 будет высокий уровень от контакта №3 до контакта №1, и цикл будет повторяться, пока сохраняется вход на контакт №14.

Когда выход достигает контакта №1, он сбрасывается через контакт №15, так что цикл может повторяться с контакта №3.

В момент, когда на выводе №3 высокий уровень, на выходе ничего не проводит.

В момент, когда вышеуказанный импульс переходит на контакт № 2, он становится высоким, что включает T4 (N-канальный МОП-транзистор отвечает на положительный сигнал), одновременно транзистор T1 также проводит, его коллектор становится низким, который в тот же момент включает T5, который будучи P-канальным МОП-транзистором, он реагирует на низкий сигнал на коллекторе T1.

При включенных T4 и T5 ток проходит от положительной клеммы через задействованную обмотку TR1 трансформатора к клемме заземления. Это проталкивает ток через TR1 в одном направлении (справа налево).

В следующий момент импульс перескакивает с вывода №2 на вывод №4, поскольку эта распиновка пуста, снова ничего не проводит.

Однако, когда последовательность переходит от контакта №4 к контакту №7, T2 выполняет и повторяет функции T1, но в обратном направлении. То есть на этот раз T3 и T6 коммутируют ток через TR1 в противоположном направлении (слева направо).Цикл завершает успешную работу H-моста.

Наконец, импульс переходит с вышеуказанного вывода на вывод №1, где он сбрасывается обратно на вывод №3, и цикл повторяется.

Пустое пространство на выводе №4 является наиболее важным, поскольку оно полностью защищает МОП-транзисторы от любого возможного «пробоя» и обеспечивает 100% безупречное функционирование всего моста, избегая необходимости и использования сложных драйверов МОП-транзисторов.

Пустая распиновка также помогает реализовать требуемую типичную грубую модифицированную синусоидальную форму, как показано на диаграмме.

Передача импульса через IC4017 от его контакта №3 к контакту №1 составляет один цикл, который должен повторяться 50 или 60 раз для генерации требуемых циклов 50 Гц или 60 Гц на выходе TR1.

Следовательно, умножение количества выводов на 50 дает 4 x 50 = 200 Гц. Это частота, которая должна быть установлена ​​на входе IC2 или на выходе IC1.

Частоту можно легко установить с помощью P1.

Предлагаемая конструкция схемы синусоидального инвертора с полным мостом может быть модифицирована множеством различных способов в соответствии с индивидуальными предпочтениями.

Влияет ли какое-либо расстояние между метками IC1 на характеристики импульса? …. вещь, о которой стоит задуматься.

Принципиальная схема

Список деталей

R2, R3, R4, R5 = 1K

R1, P1, C2 = необходимо рассчитать при 50 Гц с помощью этого калькулятора 555 IC

C2 = 10nF

T1, T2 = BC547

T3, T5 = IRF9540
T4, T6 = IRF540

IC1 = IC 555

IC2 = 4017

Предполагаемая форма волны

О Swagatam

, инженер-электронщик , изобретатель, схемотехник / конструктор печатных плат, производитель.Я также являюсь основателем веб-сайта: https://www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими инновационными идеями и руководствами по схемам.
Если у вас есть запрос, связанный со схемой, вы можете взаимодействовать с ним через комментарии, я буду очень рад помочь!

.

Трехуровневый каскадный преобразователь с H-мостом

pcbway

pcbway

[dt_button size = «medium» animation = «none» icon = «» icon_align = «left» color = «» link = «https://www.theengineeringprojects.com/product/level-cascaded-hbridge- Inverter-simulink «target_blank =» true «] Купить этот проект [/ dt_button]

Здравствуйте, друзья, я надеюсь, что вы все в порядке и наслаждаетесь. Сегодня я собираюсь поделиться своим новым учебником по проекту, который представляет собой трехуровневый каскадный H-мостовой инвертор. Я также подробно объяснил инверторы в одном из моих предыдущих руководств, который был «Введение в многоуровневые инверторы».В этом уроке я собираюсь объяснить новое применение каскадных H-мостовых инверторов, и мы спроектируем трехуровневый каскадный H-мостовой инвертор через него.

Прежде чем перейти к этому, прежде всего напомним некоторые основы инверторов из наших предыдущих постов. Инверторы или обычно известные как силовые инверторы и преобразователь постоянного тока в переменный, выход которого имеет желаемое выходное напряжение и частоту, называется инвертором. Инверторы еще называют счетчиками выпрямителей. Выпрямители — это те устройства, которые используются для преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (DC).В зависимости от типа работы инверторы можно разделить на 2 основных класса, которые называются:

  • Инвертор источника напряжения (VSI)
  • Инвертор источника тока (CSI)

Инвертор, управляемый напряжением, или VSI — это инвертор с независимым управлением. Выход переменного тока представляет собой форму волны напряжения. С другой стороны, инвертор источника тока или CSI — это тот, в котором независимый управляемый выход переменного тока представляет собой форму волны тока. Поскольку название моего сегодняшнего учебного пособия — это трехуровневый каскадный H-мостовой инвертор, трехуровневый инвертор лучше, чем двухуровневый инвертор, и причина в том, что в трехуровневом инверторе мы имеем дело с тремя уровнями выходного напряжения или тока и красотой Этот тип инверторов заключается в том, что они дают лучший выходной сигнал, а текущие синусоидальные формы волны и пороговые значения намного лучше.Теперь я закончил знакомство с инверторами и ознакомился с их основами, теперь давайте перейдем к фактической работе с моим учебным пособием по проекту. Вы также можете купить полную симуляцию этого проекта, и мы сохранили очень небольшую цену, которая составляет всего 10 долларов, только для покрытия наших затрат на дизайн.

Трехуровневый каскадный H-мостовой инвертор

  • Мы разработали трехуровневый каскадный H-мостовой инвертор в MATLAB Simulink, и полная схема схемы показана на изображении, приведенном ниже:
  • Приведенный выше рисунок выглядит как сложный, но очень простой для понимания и не имеет большого количества приложений.Итак, давайте объясним каждый параметр один за другим.
  • На первом этапе сигнал поступает на общий переход, и в MATLAB он известен как «селектор шины». Он не может принимать одновременно входы и выходы. Он имеет 1 входной сигнал и 2 выходных сигнала.
  • Выход из этого соединения идет на 2 блока с именами «A9» и «A10».
  • Чтобы исследовать эти блоки, вы можете просто дважды щелкнуть по значку, и откроется новое окно. Это окно показано на изображении, приведенном ниже:
  • Каждый блок фактически является H-мостом (он содержит 4 небольших блока, которые расположены в H-форме).Для работы ему нужен источник постоянного тока, а на входе и выходе у нас есть прицелы для отслеживания входных и выходных сигналов.
  • Теперь, если вы хотите изучить его больше, просто перейдите к любому маленькому окну, дважды щелкните по нему, и откроется новое окно, показанное на изображении ниже:
  • Когда вы дважды щелкните по этому маленькому окну тогда откроется новое и очень информативное окно, в котором будет показано, что было изготовлено в этой маленькой коробке.
  • Если вы внимательно прочитаете верхние строки, то там будет видно, что транзистор gto изготавливается параллельно с последовательной RC-цепью.GTO означает транзистор выключения затвора.
  • GTO — это специальный тип транзистора и полупроводниковое устройство большой мощности. Разница между GTO и транзисторами любого другого типа заключается в том, что другим транзисторам требуется импульс затвора для включения, и когда вы уберете импульс затвора, они все равно останутся в состоянии ВКЛ.
  • Чтобы выключить его, вы должны применить некоторые альтернативные средства, например, подать обратное напряжение, и когда транзистор стремится перейти в другом направлении, мы убираем эти обратные напряжения.
  • В отличие от транзисторов любого другого типа, преимущество GTO в том, что его можно включать и выключать только с помощью управления затвором, что делает его очень важным электрическим компонентом для реализации.
  • В состоянии ВКЛ GTO имеет определенные значения сопротивления и индуктивности.
  • В выключенном состоянии он имеет бесконечный внутренний импеданс, и в выключенном состоянии через него не проходит ток.
  • Теперь в схеме расположено 6 блоков. У нас есть 3 набора блоков, каждый из которых содержит 2 блока тиристоров, расположенных параллельно друг другу.
  • Входное питание от источника поступает на каждый блок по 3 комплекта. Выходной сигнал каждого блока поступает в идеальный блок измерения напряжения, представленный как VC.
  • Когда вы запустите моделирование и проследите за результатами выходного напряжения, вы дважды щелкните этот блок, и он выдаст комплексные значения.
  • После этих блоков измерения напряжения у нас есть блок анализатора Фурье. Этот блок Фурье анализирует входной сигнал в течение одного цикла составляющей основной частоты.
  • Первый и второй выходы возвращают величину и фазовый угол рассматриваемых сигналов соответственно. Здесь мы имеем дело с основной гармонической составляющей, поэтому я сохранил ее значение 1.
  • Все это можно увидеть на изображении, показанном ниже:
  • Если вы соединили все блоки в их точных положениях и все соединения выполнены. Хорошо, тогда, когда вы запустите моделирование, и формы сигналов на осциллографе будут иметь вид:

ВЫХОДНЫЕ ВОЛНЫ

  • Выходные результаты осциллографа # 1 показаны на изображении, приведенном ниже:
  • Вы можете увидеть это на На изображении выше у нас есть выходные прямоугольные волны трех разных цветов: зеленого, желтого и розового.
  • Как я уже объяснял ранее, мы разрабатываем трехуровневый инвертор и будем иметь дело с тремя выходными сигналами, что подтверждает наш вывод.
  • Выходной график области # 3 показан на изображении, приведенном ниже:
  • Если вы посмотрите внимательно, выходной график области # 1 аналогичен графику объема # 3, но выходные кривые области # 3 немного сжаты.
  • Выходной график осциллографа №2 показан на изображении ниже:
  • Выходной сигнал осциллографа №2 представляет собой синусоидальные прямоугольные волны, и, взяв среднее значение каждой части прямоугольной волны, мы можем сгенерировать кривую переменного тока .
  • Выходной сигнал осциллографа №5 аналогичен выходному сигналу осциллографа №2, и он также показан на изображении, приведенном ниже:
  • Выходной сигнал осциллографа №5 очищен в битах и ​​очень похож на синусоидальный сигнал переменного тока.

Хорошо, друзья, это все из моего сегодняшнего поста. Это было немного долго, но очень технически и легко для понимания. Надеюсь, вы узнали что-то новое сегодня. Если у вас есть какие-либо вопросы по этому поводу, не стесняйтесь спрашивать, и я сделаю все возможное, чтобы вы поняли проблему.Следите за новостями, чтобы увидеть больше руководств по проектам. До следующего урока Береги себя !! :).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *