Circuito inverter trifase

Conosciamo tutti l'inverter: è un dispositivo che converte DC in AC. E in precedenza abbiamo imparato a conoscere diversi tipi di inverter e abbiamo costruito un inverter monofase da 12 V a 220 V. Un inverter trifase converte la tensione CC in alimentazione CA trifase. Qui in questo tutorial, impareremo a conoscere l' inverter trifase e il suo funzionamento, ma prima di andare oltre diamo uno sguardo alle forme d'onda di tensione della linea trifase. Nel circuito sopra, una linea trifase è collegata a un carico resistivo e il carico trae potenza dalla linea. Se disegniamo le forme d'onda di tensione per ciascuna fase, avremo un grafico come mostrato in figura. Nel grafico, possiamo vedere tre forme d'onda di tensione sfasate l'una rispetto all'altra di 120º.

In questo articolo, discuteremo del circuito inverter trifase che viene utilizzato come convertitore da CC a CA trifase. Ricorda che, anche ai giorni nostri, ottenere una forma d'onda completamente sinusoidale per carichi variabili è estremamente difficile e non pratico. Quindi qui discuteremo il funzionamento di un circuito convertitore trifase ideale trascurando tutte le questioni relative al pratico inverter trifase.

Inverter trifase funzionante

Ora esaminiamo il circuito inverter trifase e la sua forma semplificata ideale.

Di seguito è riportato uno schema del circuito dell'inverter trifase progettato utilizzando tiristori e diodi (per la protezione da picchi di tensione)

Di seguito è riportato uno schema del circuito dell'inverter trifase progettato utilizzando solo interruttori. Come puoi vedere, questa configurazione a sei interruttori meccanici è più utile per comprendere il funzionamento dell'inverter trifase rispetto all'ingombrante circuito a tiristori.

Quello che faremo qui è aprire e chiudere simmetricamente questi sei interruttori per ottenere l'uscita di tensione trifase per il carico resistivo. Esistono due modi possibili per attivare gli interruttori per ottenere il risultato desiderato, uno in cui gli interruttori conducono per 180º e un altro in cui gli interruttori conducono solo per 120º. Parliamo di ogni modello di seguito:

A) Inverter trifase - Modalità di conduzione a 180 gradi

Il circuito ideale viene disegnato prima che possa essere diviso in tre segmenti, vale a dire il segmento uno, il segmento due e il segmento tre, e useremo queste notazioni nella sezione successiva dell'articolo. Il segmento uno è costituito da una coppia di interruttori S1 e S2, il segmento due è costituito dalla coppia di interruttori S3 e S4 e il segmento tre è costituito dalla coppia di interruttori S5 e S6. In qualsiasi momento, entrambi gli interruttori nello stesso segmento non devono mai essere chiusi in quanto ciò causa cortocircuiti della batteria che non riescono l'intera configurazione, quindi questo scenario dovrebbe essere evitato in ogni momento.

Ora iniziamo la sequenza di commutazione chiudendo l'interruttore S1 nel primo segmento del circuito ideale e chiamiamo l'inizio come 0º. Poiché il tempo di conduzione selezionato è 180º, l' interruttore S1 sarà chiuso da 0º a 180º.

Ma dopo 120º della prima fase, anche la seconda fase avrà un ciclo positivo come si vede nel grafico della tensione trifase, quindi l'interruttore S3 sarà chiuso dopo S1. Anche questo S3 sarà tenuto chiuso per altri 180º. Quindi S3 sarà chiuso da 120º a 300º e sarà aperto solo dopo 300º.

Allo stesso modo, anche la terza fase ha un ciclo positivo dopo 120º del ciclo positivo della seconda fase, come mostrato nel grafico all'inizio dell'articolo. Quindi l'interruttore S5 sarà chiuso dopo la chiusura di 120º S3 cioè 240º. Una volta che l'interruttore è chiuso, verrà mantenuto chiuso per 180º prima di essere aperto, con che l'S5 sarà chiuso da 240º a 60º (secondo ciclo).

Fino ad ora, tutto ciò che abbiamo fatto era supporre che la conduzione venga eseguita una volta chiusi gli interruttori dello strato superiore, ma per il flusso di corrente dal circuito deve essere completato. Inoltre, ricorda che entrambi gli interruttori nello stesso segmento non dovrebbero mai essere chiusi nello stesso momento, quindi se un interruttore è chiuso, un altro deve essere aperto.

Per soddisfare le suddette entrambe le condizioni, chiuderemo S2, S4 e S6 in un ordine predeterminato. Quindi solo dopo l'apertura di S1 ​​dovremo chiudere S2. Allo stesso modo, S4 verrà chiuso dopo che S3 verrà aperto a 300º e allo stesso modo S6 verrà chiuso dopo che S5 avrà completato il ciclo di conduzione. Questo ciclo di commutazione tra interruttori dello stesso segmento può essere visto nella figura sotto. Qui S2 segue S1, S4 segue S3 e S6 segue S5.

Seguendo questa commutazione simmetrica possiamo ottenere la tensione trifase desiderata rappresentata nel grafico. Se compiliamo la sequenza di commutazione iniziale nella tabella sopra, avremo un modello di commutazione completo per la modalità di conduzione a 180º come di seguito.

Dalla tabella sopra possiamo capire che:

Da 0 a 60: S1, S4 e S5 sono chiusi e gli altri tre interruttori sono aperti.

Da 60 a 120: S1, S4 e S6 sono chiusi e gli altri tre interruttori sono aperti.

Da 120 a 180: S1, S3 e S6 sono chiusi e gli altri tre interruttori sono aperti.

E la sequenza di accensione continua così. Ora disegniamo il circuito semplificato per ogni passaggio per comprendere meglio i parametri di flusso e tensione di corrente.

Step1: (per 0-60) S1, S4 e S5 sono chiusi mentre i restanti tre interruttori sono aperti. In tal caso, il circuito semplificato può essere come mostrato di seguito.

Quindi da 0 a 60: Vao = Vco = Vs / 3; Vbo = -2Vs / 3

Usando questi possiamo derivare le tensioni di linea come:

Vab = Vao - V bo = Vs Vbc = Vbo - Vco = -Vs Vca = Vco - Vao = 0

Step2: (da 60 a 120) S1, S4 e S6 sono chiusi mentre gli altri tre interruttori sono aperti. In tal caso, il circuito semplificato può essere come mostrato di seguito.

Quindi per 60-120: Vbo = Vco = -Vs / 3; Vao = 2Vs / 3

Usando questi possiamo derivare le tensioni di linea come:

Vab = Vao - Vbo = Vs Vbc = Vbo - Vco = 0 Vca = Vco - Vao = -Vs

Fase 3: (da 120 a 180) S1, S3 e S6 sono chiusi mentre gli altri tre interruttori sono aperti. In tal caso, il circuito semplificato può essere disegnato come di seguito.

Quindi per 120-180: Vao = Vbo = Vs / 3; Vco = -2Vs / 3

Usando questi possiamo derivare le tensioni di linea come:

Vab = Vao - V bo = 0 Vbc = Vbo - Vco = Vs Vca = Vco - Vao = -Vs

Allo stesso modo, possiamo derivare le tensioni di fase e le tensioni di linea per le fasi successive della sequenza. E può essere mostrato come la figura riportata di seguito:

A) Inverter trifase - Modalità di conduzione a 120 gradi

La modalità 120º è simile a 180º in tutti gli aspetti tranne che il tempo di chiusura di ogni interruttore è ridotto a 120, che prima era 180.

Come al solito, iniziamo la sequenza di commutazione chiudendo l'interruttore S1 nel primo segmento e portiamo il numero di partenza a 0º. Poiché il tempo di conduzione selezionato è 120º, l'interruttore S1 sarà aperto dopo 120º, quindi S1 ​​era chiuso da 0º a 120º.

Poiché il semiciclo del segnale sinusoidale va da 0 a 180º, per il tempo rimanente S1 sarà aperto ed è rappresentato dalla zona grigia sopra.

Ora dopo 120º della prima fase, anche la seconda fase avrà un ciclo positivo come menzionato prima, quindi l'interruttore S3 sarà chiuso dopo S1. Anche questo S3 sarà tenuto chiuso per altri 120º. Quindi S3 sarà chiuso da 120º a 240º.

Allo stesso modo, anche la terza fase ha un ciclo positivo dopo 120º del ciclo positivo della seconda fase, quindi l'interruttore S5 sarà chiuso dopo 120º di chiusura di S3. Una volta che l'interruttore è chiuso, verrà mantenuto chiuso per 120º prima di essere aperto e con questo, l'interruttore S5 sarà chiuso da 240º a 360º

Questo ciclo di commutazione simmetrica verrà continuato per ottenere la tensione trifase desiderata. Se inseriamo l'inizio e la fine della sequenza di commutazione nella tabella sopra, avremo un modello di commutazione completo per la modalità di conduzione a 120º come di seguito.

Dalla tabella sopra possiamo capire che:

Da 0 a 60: S1 e S4 sono chiusi mentre gli interruttori rimanenti sono aperti.

Da 60 a 120: S1 e S6 sono chiusi mentre gli interruttori rimanenti sono aperti.

Da 120 a 180: S3 e S6 sono chiusi mentre gli interruttori rimanenti sono aperti.

Da 180-240: S2 e S3 sono chiusi mentre gli interruttori rimanenti sono aperti

Da 240 a 300: S2 e S5 sono chiusi mentre gli interruttori rimanenti sono aperti

Da 300-360: S4 e S5 sono chiusi mentre gli interruttori rimanenti sono aperti

E questa sequenza di passaggi continua così. Ora disegniamo il circuito semplificato per ogni passaggio per comprendere meglio i parametri di flusso di corrente e tensione del circuito inverter trifase.

Step1: (per 0-60) S1, S4 sono chiusi mentre i restanti quattro interruttori sono aperti. In tal caso, il circuito semplificato può essere mostrato come di seguito.

Quindi da 0 a 60: Vao = Vs / 2, Vco = 0; Vbo = -Vs / 2

Usando questi possiamo derivare le tensioni di linea come:

Vab = Vao - V bo = Vs Vbc = Vbo - Vco = -Vs / 2 Vca = Vco - Vao = -Vs / 2

Step2: (da 60 a 120) S1 e S6 sono chiusi mentre gli interruttori rimanenti sono aperti. In tal caso, il circuito semplificato può essere mostrato come di seguito.

Quindi per 60-120: Vbo = 0, Vco = -Vs / 2 e Vao = Vs / 2

Usando questi possiamo derivare le tensioni di linea come:

Vab = Vao - Vbo = Vs / 2 Vbc = Vbo - Vco = Vs / 2 Vca = Vco - Vao = -Vs

Fase 3: (da 120 a 180) S3 e S6 sono chiusi mentre gli interruttori rimanenti sono aperti. In tal caso, il circuito semplificato può essere mostrato come di seguito.

Quindi per 120-180: Vao = 0, Vbo = Vs / 2 e Vco = -Vs / 2

Usando questi possiamo derivare le tensioni di linea come:

Vab = Vao - V bo = -Vs / 2 Vbc = Vbo - Vco = Vs Vca = Vco - Vao = -Vs / 2

Allo stesso modo, possiamo derivare le tensioni di fase e le tensioni di linea per i prossimi passaggi successivi. E se disegniamo un grafico per tutti i passaggi, otterremo qualcosa come di seguito.

Si può vedere nei grafici di uscita di entrambi i casi di commutazione a 180º e 120º che abbiamo ottenuto una tensione trifase alternata ai tre terminali di uscita. Sebbene la forma d'onda di uscita non sia un'onda sinusoidale pura, assomigliava alla forma d'onda della tensione trifase. Questo è un semplice circuito ideale e una forma d'onda approssimata per comprendere il funzionamento dell'inverter trifase. È possibile progettare un modello di lavoro basato su questa teoria utilizzando tiristori, circuiti di commutazione, controllo e protezione.