Sempre que o PWM é empregado em um inversor para habilitar uma saída de onda senoidal, a queda de tensão do inversor se torna um grande problema, especialmente se os parâmetros não forem calculados corretamente.
Neste site, você pode ter encontrado muitos conceitos de inversores de onda senoidal e onda senoidal pura usando alimentações PWM ou integrações SPWM. Embora o conceito funcione muito bem e permita que o usuário obtenha as saídas equivalentes de onda senoidal necessárias, eles parecem lutar com problemas de queda de tensão de saída, sob carga.
Neste artigo, aprenderemos como corrigir isso por meio de simples compreensão e cálculos.
Primeiro, devemos perceber que a potência de saída de um inversor é meramente o produto da tensão de entrada e da corrente que está sendo fornecida ao transformador.
Portanto, aqui devemos ter certeza de que o transformador está classificado corretamente para processar a alimentação de entrada de modo que produza a saída desejada e seja capaz de sustentar a carga sem nenhuma queda.
A partir da discussão a seguir, tentaremos analisar através de cálculos simples o método para se livrar desse problema, configurando os parâmetros corretamente.
Analisando a tensão de saída em inversores de onda quadrada
Em um circuito inversor de onda quadrada, normalmente encontraremos a forma de onda mostrada abaixo nos dispositivos de energia, que fornecem a corrente e a tensão ao enrolamento do transformador relevante de acordo com a taxa de condução do mosfet usando esta onda quadrada:
Aqui podemos ver que a tensão de pico é de 12V e o ciclo de trabalho é de 50% (tempo igual de ON/OFF da forma de onda).
Para prosseguir com a análise, primeiro precisamos encontrar a tensão média induzida no enrolamento do transformador relevante.
Supondo que estamos usando uma derivação central de 12-0-12V / 5 amp trafo, e supondo que o ciclo de trabalho de 12V @ 50% seja aplicado a um dos enrolamentos de 12V, então a tensão média induzida dentro desse enrolamento e o dreno MOSFET podem ser calculados como dado abaixo:
12 x 50% = 6V
Isso também se torna a tensão média nas portas dos dispositivos de potência, uma vez que o ciclo de trabalho de 50% é aplicado às portas MOSFET do oscilador
Para as duas metades do enrolamento de trafo obtemos, 6V + 6V = 12V (combinando ambas as metades do trafo da torneira central.
Multiplicando esses 12V com a capacidade total de corrente de 5 amp nos dá 60 watts
Agora, como a potência real do transformador também é 12 x 5 = 60 watts, implica que a potência induzida no primário do trafo está cheia e, portanto, a saída também estará cheia, permitindo que a saída funcione sem qualquer queda de tensão sob carga .
Estes 60 watts são iguais à potência nominal real do transformador, ou seja, 12 V x 5 amp = 60 watts. portanto, a saída do trafo funciona com força máxima e não diminui a tensão de saída, mesmo quando uma carga máxima de 60 watts está conectada.
Analisando uma tensão de saída do inversor baseado em PWM
Agora suponha que aplicamos um corte PWM nas portas dos mosfets de potência, digamos a uma taxa de 50% do ciclo de trabalho nas portas dos mosfets (que já estão funcionando com um ciclo de trabalho de 50% do oscilador principal, conforme discutido acima)
Isso implica novamente que a média de 6V calculada anteriormente agora é impactada adicionalmente por esta alimentação PWM com ciclo de trabalho de 50%, reduzindo o valor médio da tensão nas portas mosfet para:
6V x 50% = 3V (embora o pico ainda seja 12V)
Combinando essa média de 3V para ambas as metades do enrolamento, obtemos
3 + 3 = 6V
Multiplicando este 6V com 5 amp nos dá 30 watts.
Bem, isso é 50% menos do que o transformador está classificado para lidar.
Portanto, quando medido na saída, embora a saída possa mostrar 310V completos (devido aos picos de 12V), mas sob carga isso pode cair rapidamente para 150V, pois a alimentação média no primário é 50% menor que o valor nominal.
Para corrigir esse problema, temos que abordar dois parâmetros simultaneamente:
1) Devemos garantir que o enrolamento do transformador corresponda ao valor médio da tensão entregue pela fonte usando o corte PWM,
2) e a corrente do enrolamento deve ser especificada de modo que a saída CA não caia sob carga.
Vamos considerar o nosso exemplo acima, onde a introdução de um PWM de 50% fez com que a entrada no enrolamento fosse reduzida para 3V, para reforçar e resolver esta situação, devemos garantir que o enrolamento do trafo seja correspondentemente classificado em 3V. Portanto, nesta situação, o transformador deve ser classificado em 3-0-3V
Especificações atuais para o transformador
Considerando a seleção de trafo acima de 3-0-3V, e considerando que a saída do trafo se destina a trabalhar com carga de 60 watts e 220V sustentados, podemos precisar que o primário do trafo seja classificado em 60 / 3 = 20 amperes , sim, são 20 amperes que o trafo precisará ser para garantir que os 220V sejam sustentados quando uma carga total de 60 watts estiver conectada à saída.
Lembre-se em tal situação, se a tensão de saída for medida sem carga, pode-se observar um aumento anormal no valor da tensão de saída, que pode parecer superior a 600V. Isso pode acontecer porque, embora o valor médio induzido nos mosfets seja 3V, o pico é sempre 12V.
Mas não há com o que se preocupar se você vir essa alta tensão sem carga, porque ela rapidamente se estabilizaria em 220V assim que uma carga fosse conectada.
Dito isto, se os usuários acharem chocante ver esse nível aumentado de tensões sem carga, isso pode ser corrigido aplicando adicionalmente um circuito regulador de tensão de saída que já discuti em um dos meus posts anteriores, você pode efetivamente aplicar o mesmo com este conceito também.
Alternativamente, a tela de tensão elevada pode ser neutralizada conectando-se um capacitor de 0,45uF/600V na saída ou qualquer capacitor de classificação semelhante, o que também ajudaria a filtrar os PWMs em uma forma de onda senoidal de variação suave.
A questão atual alta
No exemplo discutido acima, vimos que com um corte de 50% PWM, somos forçados a empregar um trafo de 3-0-3V para uma fonte de 12V, forçando o usuário a usar um transformador de 20 amp apenas para obter 60 watts, o que parece bastante irracional.
Se 3V exige 20 amps para obter 60 watts, implica que 6V exigiria 10 amps para gerar 60 watts, e esse valor parece bastante gerenciável……. ou para torná-lo ainda melhor, 9V permitiria que você trabalhasse com um trafo de 6,66 amp, que parece ainda mais razoável.
A declaração acima nos diz que, se a indução de tensão média no enrolamento de trafo for aumentada, o requisito de corrente será diminuído e, como a tensão média depende do tempo PWM ON, simplesmente implica que para atingir tensões médias mais altas no primário de trafo, você só precisa aumentar o tempo PWM ON, essa é outra maneira alternativa e eficaz de reforçar corretamente o problema da queda de tensão de saída em inversores baseados em PWM.
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