Chuyển đổi Biến tần sóng vuông thành Biến tần sóng sin

Bài đăng giải thích một số khái niệm mạch có thể được sử dụng để chuyển đổi hoặc sửa đổi bất kỳ bộ biến tần sóng vuông thông thường nào thành một thiết kế biến tần sóng sin phức tạp.

Trước khi nghiên cứu các thiết kế khác nhau được giải thích trong bài viết này, sẽ rất thú vị khi biết các yếu tố thường làm cho một biến tần sóng sin hơn là thiết kế sóng vuông.

Cách tần số hoạt động trong biến tần

Biến tần về cơ bản liên quan đến tần số hoặc dao động để thực hiện các hành động tăng và đảo ngược. Tần số như chúng ta biết là sự tạo ra các xung tại một số mẫu đồng nhất và được tính toán, ví dụ tần số biến tần điển hình có thể được đánh giá ở mức 50Hz hoặc 50 xung dương mỗi giây.

Dạng sóng tần số cơ bản của biến tần ở dạng xung sóng vuông.

Như chúng ta đã biết sóng vuông không bao giờ thích hợp để vận hành các thiết bị điện tử phức tạp như TV, máy nghe nhạc, máy tính, v.v.

Nguồn điện xoay chiều (dòng điện xoay chiều) mà chúng ta thu được tại ổ cắm điện lưới trong nước cũng bao gồm tần số dòng điện xung, nhưng chúng ở dạng sóng hình sin hoặc sóng hình sin.

Nó thường ở 50Hz hoặc 60Hz tùy thuộc vào thông số kỹ thuật tiện ích quốc gia cụ thể.

Đường cong hình sin được đề cập ở trên của dạng sóng AC tại nhà của chúng tôi đề cập đến các đỉnh điện áp tăng theo cấp số nhân tạo thành 50 chu kỳ của tần số.

Vì nguồn điện xoay chiều trong nước của chúng ta được tạo ra thông qua các tuabin từ tính, dạng sóng vốn dĩ là sóng hình sin, vì vậy không cần xử lý gì thêm và có thể sử dụng trực tiếp trong nhà cho mọi loại thiết bị.

Ngược lại trong bộ biến tần, dạng sóng cơ bản ở dạng sóng vuông cần được xử lý kỹ lưỡng để làm cho thiết bị tương thích với tất cả các loại thiết bị.

Sự khác biệt giữa sóng vuông và sóng sin

Như trong hình, sóng vuông và sóng sin có thể có mức điện áp đỉnh giống hệt nhau nhưng giá trị RMS hoặc giá trị bình phương trung bình gốc có thể không giống nhau. Khía cạnh này là điều làm cho sóng vuông đặc biệt khác với sóng sin mặc dù giá trị đỉnh có thể giống nhau.

Do đó, một biến tần sóng vuông hoạt động với 12V DC sẽ tạo ra một đầu ra tương đương với 330V giống như một biến tần sóng sin hoạt động với cùng một pin nhưng nếu bạn đo RMS đầu ra của cả hai biến tần, nó sẽ khác nhau đáng kể (330V và 220V).

Hình ảnh hiển thị không chính xác 220V là đỉnh, thực tế nó phải là 330V

Trong sơ đồ trên, dạng sóng có màu xanh lục là dạng sóng sin, trong khi màu cam mô tả dạng sóng vuông. Phần bóng mờ là phần RMS dư thừa cần được san bằng để làm cho cả hai giá trị RMS gần nhất có thể.

Do đó, việc chuyển đổi một bộ nghịch lưu sóng vuông thành một sóng sin tương đương về cơ bản có nghĩa là cho phép bộ nghịch lưu sóng vuông tạo ra giá trị đỉnh cần thiết là 330V nhưng có RMS gần bằng với bản sao sóng sin của nó.

Cách chuyển đổi / sửa đổi dạng sóng vuông thành dạng sóng hình sin

Điều này có thể được thực hiện bằng cách khắc một mẫu sóng vuông thành dạng sóng sin, hoặc đơn giản bằng cách cắt một dạng sóng vuông mẫu thành các phần nhỏ hơn được tính toán kỹ lưỡng sao cho RMS của nó trở nên rất gần với giá trị AC RMS của nguồn điện tiêu chuẩn.

Để khắc một sóng vuông thành một sóng sin hoàn hảo, chúng ta có thể sử dụng bộ dao động cầu wien hoặc chính xác hơn là 'bộ tạo dao động bubba' và đưa nó vào giai đoạn xử lý sóng sin. Phương pháp này sẽ quá phức tạp và do đó không phải là một ý tưởng được khuyến nghị để triển khai một bộ biến tần sóng vuông hiện có sang bộ biến tần sóng sin.

Ý tưởng khả thi hơn sẽ là cắt sóng vuông liên quan ở đáy của các thiết bị đầu ra đến mức RMS yêu cầu.

Một ví dụ cổ điển được hiển thị bên dưới:

Sơ đồ đầu tiên cho thấy một mạch nghịch lưu sóng vuông. Bằng cách thêm một bộ cắt AMV đơn giản, chúng ta có thể chia nhỏ các xung ở cơ sở của các mosfet có liên quan đến mức độ cần thiết.

Đã sửa đổi sóng vuông thành phiên bản biến tần tương đương sóng sin của mạch trên.

Ở đây AMV thấp hơn tạo ra các xung ở tần số cao mà tỷ lệ dấu / không gian có thể được thay đổi một cách thích hợp với sự trợ giúp của VR1 cài sẵn. Đầu ra được điều khiển PWM này được áp dụng cho các cổng của mosfet để điều chỉnh độ dẫn của chúng thành giá trị RMS quy định.

Mẫu dạng sóng điển hình mong đợi từ sửa đổi trên:

Dạng sóng ở các cổng mosfet:

Dạng sóng ở đầu ra của máy biến áp:

Dạng sóng sau khi lọc thích hợp bằng cách sử dụng cuộn cảm và tụ điện ở đầu ra của máy biến áp:

Danh sách các bộ phận

R1, R2, = 27K,
R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10 = 1K Ohms,
C1, C2 = 0,47uF / 100V kim loại hóa
C3, C4 = 0,1uF
T1, T2, T5, T6 = BC547,
T3, T4 = bất kỳ 30V, 10amp mosfet, kênh N.
D1, D2 = 1N4148
VR1 = 47K cài đặt trước
Biến áp = 9-0-9V, 8 amp ( thông số kỹ thuật phải được chọn theo tải đầu ra để tối ưu hóa nguồn chính xác )
Ắc quy = 12V, 10AH

Đạt được tỷ lệ hiệu quả tốt hơn

Việc chuyển đổi hoặc sửa đổi ở trên sẽ cung cấp khoảng 70% hiệu quả với sự phù hợp RMS đạt được. Nếu bạn quan tâm đến việc kết hợp tốt hơn và chính xác thì có lẽ cần phải có bộ xử lý dạng sóng IC 556 PWM.

Bạn muốn tham khảo bài viết này cho thấy nguyên tắc đằng sau sửa đổi dạng sóng vuông thành dạng sóng sin sử dụng một vài IC555.

Đầu ra từ mạch được đề cập ở trên có thể được cấp tương tự cho cổng hoặc đế của các thiết bị nguồn có liên quan có trong bộ biến tần vuông hiện có.

Một cách tiếp cận toàn diện hơn có thể được chứng kiến ​​trong bài viết này, nơi một IC 556 được sử dụng để trích xuất sóng sin được sửa đổi dựa trên PWM chính xác tương đương từ nguồn mẫu sóng vuông.

Dạng sóng này được tích hợp với các thiết bị đầu ra hiện có để thực hiện các sửa đổi dự kiến.

Các ví dụ trên cho chúng ta biết các phương pháp đơn giản hơn mà qua đó bất kỳ bộ biến tần sóng vuông thông thường nào hiện có có thể được sửa đổi thành thiết kế bộ biến tần sóng sin.

Chuyển đổi thành SPWM

Trong bài viết trên, chúng ta đã biết cách tối ưu hóa dạng sóng của bộ nghịch lưu sóng vuông để có được dạng sóng sin bằng cách cắt sóng vuông thành các phần nhỏ hơn.

Tuy nhiên, một phân tích sâu hơn cho thấy rằng trừ khi dạng sóng được cắt nhỏ không được định kích thước ở dạng SPWM, việc đạt được tương đương sóng sinewave thích hợp có thể không thực hiện được.

Để đáp ứng điều kiện này, một mạch chuyển đổi SPWM trở nên cần thiết để tạo ra dạng sóng lý tưởng nhất từ ​​biến tần.

Sơ đồ sau đây cho thấy làm thế nào điều này có thể được thực hiện một cách hiệu quả với các thiết kế được thảo luận ở trên.

Thông qua một trong những bài báo trước đây của tôi, chúng tôi đã hiểu cách sử dụng opamp để tạo SPWM , lý thuyết tương tự có thể được áp dụng trong khái niệm trên. Hai bộ tạo sóng tam giác được sử dụng ở đây, một bộ chấp nhận sóng vuông nhanh từ bộ thuận dưới, trong khi bộ kia chấp nhận sóng vuông chậm từ bộ thuận phía trên và xử lý chúng thành các đầu ra sóng tam giác nhanh và chậm tương ứng.

Các sóng tam giác đã xử lý này được đưa qua hai đầu vào của một opamp, cuối cùng chuyển đổi chúng thành SPWM hoặc độ rộng xung sóng sin.

Các SPWM này được sử dụng để cắt các tín hiệu ở cổng của các mosfet, cuối cùng chuyển đổi dạng sóng qua cuộn dây máy biến áp được kết nối để tạo ra bản sao chính xác của dạng sóng hình sin thuần túy ở phía thứ cấp của máy biến áp thông qua cảm ứng từ.