2019 február 20 - szerda
Kezdőlap > 2. INGYENENERGIA > 2.4. Az ingyenenergia titkai > 2.4.5. Ingyenenergia a házunkban > 2.4.5.12. Kísérletek > 2.4.5.12.6. Farkas megjegyzései az inverterekkel kapcsolatban

2.4.5.12.6. Farkas megjegyzései az inverterekkel kapcsolatban

Farkas az itt ismertetett inverterrel kapcsolatban mondja el a saját tapasztalatait a következő sorokban.

Én még egy jó pár évvel ezelőtt csináltam egy 500 W-os invertert, stabilizált kimenő feszültséggel, áramkorláttal, pontos frekivel. (Lásd itt.)

Először is mondanám a fő problémát a komplementer FET-ekkel. Elsőre ugye jónak tűnik a megoldás, mert egy primer tekercs is elég a trafóra. Igen ám, de azt is vegyük figyelembe, hogy 12 V-on például 50-60 A betáp is kell az 500 W kimenő teljesítményhez, 1 KW-ot meg már igen-igen problémás kitaposni belőle.

A FET-eken jelentős feszültség esik, valamint a hozzájuk vezető drótokon, de a legtöbb a trafó primer tekercsén! Azt is vegyük figyelembe, hogy ekkora áramnál már esik az akku feszültsége is, és ha egy kicsit hosszabb dróttal van bekötve, olyan 9-10 V jut ténylegesen a trafóra. Mondom, ebben benne van az összes veszteség.

Ha a komplementer FET-es megoldást nézzük, sajnos a P FET-ekből nagyon gyatra a választék. Én is ezért (nem csak ezért) vetettem el ezt a megoldást. Jól gondolkozott Zoltán, hogy a push-pull kivitel felé kell elmenni. Már létezik 6 mW, illetve 3 mW nyitott ellenállású (RDSon) FET is, ami nekünk nagyon jó, legalább itt ne legyen veszteség. Nézzük meg az IRL3803, az IRF2907 ill. az ISL9N303AS3ST, SUP75N06 adatlapját. Fejlődik a technika.

Miért nem ment Zolinak a 12 V-nál nagyobb tápról? Nos azért, mert ha megnézzük a komplementeres rajzot, a FET-ek drain-je van összekötve. A vezérlés, azaz a gate feszültség a source-hez képest értendő. Ha növeljük a tápot, akkor a felső oldali FET (mivel a vezérlőjel állandó maradt) vezérlése "egyre lejjebb csúszik", de mivel ez P-s FET, ez szépen elkezd kinyitni. Ha pedig a vezérlést is növeljük vele együtt, akkor meg a gate-ekre fog egyre nagyobb feszültség jutni, az meg 20 V felett káros a lelki világukra. Kicsit bonyolult elmagyarázni, de most hadd ne rajzoljak.

Kapcsolási veszteségről 50 Hz-en gyakorlatilag nem beszélhetünk, ezzel nem kell foglalkozni. DE! arra figyelni kell, hogy push-pull kapcsolásnál a FET-eket a kapcsolás felépítéséből adódóan kétszeres tápfeszültség (plusz tranziensek!) fogja igénybe venni. Tehát 24 V-on már necces 55 V-os FET-et használni, mert ugye egy 24-es akksitelep feltöltve simán lehet 30 V, és akkor a FET-eket 60 V venné igénybe. És ez meg is magyarázza, miért kell a kimenő feszültséget stabilizálni. Az akksi 20-22 V és 30 V között változhat. Ez még rontja a helyzetet, mert 20 V esetén még nagyobb áram kell, mert ugye a kimeneten akkor is le kell adnia a 230 V effektív feszültséget. Tehát 24 V-ról kell FET bele bőven.

Sajna ezzel nincs mit tenni. Ezért szokták a gyári invertereknél, a nagyobb teljesítményűeknél 48, 110, 220 V DC-ről járatni. A hatásfok miatt. Persze ehhez sok akksi kell, tehát mindig mérlegelni kell, hogy az akksi, vagy a beépített félvezetők (+réz, vas!) az olcsóbb.

A következő ábrán egy "modern" inverter blokkvázlatát láthatjuk.

sin 2.4.5.12.6. Farkas megjegyzései az inverterekkel kapcsolatban

1. ábra.

Árulnak olcsón ún. modifikált szinusz, illetve valódi szinuszos invertereket. A különbség elég nagy. Mindkét esetben a kimenőfesz 230 V effektív, de hát egy adott kitöltésű négyszögjel nem ua. mint a szinusz. Bizonyos fogyasztók, például indukciós motorok, de a nagyon kihegyezett transzformátoros, fojtós berendezések (fénycső, mikrosütő) bizony nem szeretik ezt a megoldást.

Ezekből hihetetlenül igénytelen kivitelek is előfordulnak, alulméretezett FET-ekkel, kisebb trafókból összegányolt táppal. Viszont olcsó, és és viszonylag jó hatásfokú. Kapcsolóüzemű tápos cuccokat minden további nélkül elhajt, bár azok akár nyers 300 V DC-ről is járhatnának.

A szinuszost "szerencsére" kevesebb gyártó tudja megcsinálni, mert nem is olyan egyszerű a szabályozástechnikája. Gyakorlatilag 90 %-ban megegyezik egy nagyteljesítményű kapcsolóüzemű erősítővel, azzal a különbséggel, hogy ott állandó (pl. 8 W) a kimeneti terhelés, és kis torzítás kell, itt meg változó a terhelés, és tartani kell a kimeneti feszültséget, és 2-3 % torzítás már bőven jó. Én egy ilyenen dolgozom, jelenleg az adott áramkörrel, 150 W-os, de a konstrukció bővíthető. A hatásfok valamivel rosszabb, de azért a 93-95 % megközelíthető.

Érdekes, hogy 50 Hz-es transzformátoros kimenetűt csak nagyon kevés cég gyárt (persze, mert drága a trafó). Pedig ez jóval strapabíróbb lenne, mint ha a kimeneti félvezetők "közvetlenül látnák" a kimeneti terhelést. Gondoljuk meg, pl. mi van, ha visszatáplál egy fogyasztó, netán szembekötik a cuccot a hálózattal, netán valami brutál tranzienst kap? A trafó valamelyest "véd" visszafelé.

Az itt látható cég trafósat csinál. A trafósnak (elvileg) jobb lenne a hatásfoka, mint az 1. ábrán láthatónak, amiben ugye kettős konverzió van. (Mondjuk 95 % * 93 % = 88,3 %). De más paraméterek is vannak, például lehet nagy feszültségű akkubankot is használni, valamint sok helyen a méret és a súly is számít. Ez tervezés és felhasználás kérdése, melyik konstrukciót preferáljuk.

Még egy pár szó a saját tapasztalatokról a trafós PP (push-pull) inverterről. Először a szabályzás úgy nézett ki, mint a modifikált szinusz esetén, hogy csak összesen 2 vagy 4 FET volt, és az kapcsolgatta ellenütemben a trafóra a delejt. A kimeneti effektív értéket úgy szabályoztam, hogy változtattam a kitöltési tényezőt. Az eredmény az lett, hogy a fogyasztók nagy része megőrült ettől a négyszögjeltől. (pl. motor, ill. szabályzós fúrógép, vagy egy nagyon kihegyezett trafó.)

A megoldás az lett, hogy maradt az 50 %-os négyszögjel, de valahogy akkor is szabályozni kellett a kimenő feszültséget! Ezért került be mégiscsak plusz 2 (vagy 4) FET alulra, ami egy soros ellenállásként szabályozott. (lásd itt.) Mégiscsak igaza lett az eredeti tervezőnek, hogy ez így jó. Azért a felesleges dolgokat leegyszerűsítettem.

Az ember azt gondolná, hogy az "analóg" szabályzó iszonyatosan melegszik. No ez nincs így, ugyanis kb. 60 W-os terhelésig van rá szükség, ezen felül már teljesen nyitva van, alig esik rajta feszültség. És persze stabil feszültséget biztosít kb. 11 V-os feszültségig. (a betáp kapcsokon mérve). Az akksihoz menő (egyébként 8 mm2-es sodrott hangfalkábel) meg a csipeszeken is kb. 1-2 V esik összesen.

Még felmerülhet a kérdés, miért fontos szabályozni? Próbáljuk ki hosszabb ideig akksiról, vagy járass róla PC-t. Hamar kiderül, hogy azért a fogyasztók sem toleránsak mindenre.

És még valami: Egy inverter még nem szünetmentes táp! A problémák már csak ezután kezdődnek. Mi van, ha több fázis kell? (háromfázisú motor) Mi van, ha gyors átkapcsolás kell? Az inverter nem tudja leoldani a hagyományos kismegszakítót (leoldási árama kb. 2 KA / 20 ms, kisebb áramra lassabb). Az akksitöltő is felvet némi gondot, meg hát az aksik kondicionálása, kímélése és védelme, a tárolt energiamennyiség kalibrációja!

A kiegészítő áramköri részekről is ejteni kell néhány szót, amelyek nem tartoznak szorosan a működéshez, de elengedhetetlenek ahhoz, hogy a gyakorlatban is működő teljesítményelektronikai berendezést építsünk. Ezek a szabályok nem csak az inverterekre, hanem más félvezetős teljesítményelektronikai készülékre is vonatkoznak.

Csak hogy néhány fontosabbat említsünk:

  • áramkorlát, zárlatvédelmek, később pedig
  • tranziens túlfeszültség védelem a félvezetőknek
  • Dead-Time (DT)
  • túlfeszültség, alulfeszültség védelem a berendezésnek
  • alapjel
  • többfázisú, visszatápláló, illetve párhuzamos üzemű inverterek
  • átkapcsolási késleltetés off-line szünetmentes egységek esetén

Először essék szó az áramkorlátról. Ez elengedhetetlen egy korrekt berendezés építéséhez. Minél inkább megyünk fel a feszültséggel és teljesítményekkel, annál könnyebb átlépni a félvezetők határadatait, valamely rendellenes működés (túlterhelés, rövidzár, vezérlési hiba, tranziens, stb.) esetén. Ez ellen főleg a teljesítmény félvezetőket kell védeni. A 2. ábra segítségül szolgál, hogy miféle védelmeket képzelhetünk el.

aramkorlat 2.4.5.12.6. Farkas megjegyzései az inverterekkel kapcsolatban

2. ábra. Áramkorlátozás

Valahogyan figyelni kell a félvezetőn folyó áramot. Ezt első körben praktikusnak látszik egy sönt-ellenállás segítségével figyelni. Ez egy kis értékű (néhány tized vagy század ohm értékű) ellenállás. Hogy ez miért nem tökéletes megoldás, később részletezem. De most a megértés kedvéért ezt a legegyszerűbb megoldást választottam.

A sönt ellenálláson figyelhető a feszültség, ami arányos az átfolyó árammal. (2/1. ábra) Ha meghalad egy értéket, letiltja a vezérlést. Ez eddig viszonylag egyszerűnek tűnik.

No igen, de az áramkör nem mindig így néz ki. A 2/2. ábrán látható is, hogy ha pl. egy félhíd rendszerű kapcsolás kimeneti áramát szeretnénk nézni, akkor gond van, mert az áramfigyelő áramkör a kimenet potenciáljára kerül! Ez nem jó, mert pl. egy hálózatról üzemelő eszköz esetén a sönt-erősítő minden pontja közel egy 0 és 300 V között változó nagy frekvenciájú négyszögjel potenciálján lesz, miközben neki a söntön egy 100 mV nagyságú jelet kellene figyelnie. Ez a gyakorlatban igen nehezen kivitelezhető. (A könnyebb áttekinthetőség kedvéért a kapcsoló félvezetőket kapcsolókkal helyettesítettem.)

Az "okos" ember rögtön rájön, hogy rendben, akkor helyezzük át az áramfigyelő ellenállást olyan helyre, ahol áramköri szempontból "kényelmes". (2/4. ábra) Ez egészen addig működik, míg a berendezés olyan zárlatot nem kap, amire az áramkorlát nem tud reagálni. pl. hálózati berendezés esetén földzárlatot. Ez kiküszöbölhető, ha az áramkör teljesen le van választva a hálózati feszültség potenciáljától, de ez nem mindig megoldható.

Ha PP (push-pull) vagy híd elrendezésű kapcsolásunk van, akkor viszonylag egyszerű az áramot mérni, mert egy ponton folyik át a félvezetők árama.

DE! Itt el is jutottunk oda, hogy jó lenne a sönt ellenállásos megoldás, de mégse javasolt. Számoljunk kicsit:

24 V 5 KW-os invertert szeretnénk. (A hatásfokból eredő veszteségeket hanyagoljuk most el.) Ebből kijön a felvett áram: 5000 / 24 = 208 A. A zavarmentes működéshez az áramérzékelőnek legalább 100-200 mV kell, tehát a sönt értékét úgy kell megválasztani, hogy ekkora feszültség essen rajta. Namármost, Ohm törvénye szerint 208 A * 0,2 V = 41 W. Ez csak a sönt ellenálláson esik! Aki látott már 40 W-os ellenállást, tudja, hogy ekkora disszipáció, csak egy mérés kedvéért nem megengedhető. Nem beszélve ekkora sönt több ezer Ft-os áráról.

Erre ad megoldást a 2/5. ábrán látható alkatrész, amely tulajdonképpen egy DC áramváltó. A kimenetén az átfolyó árammal arányos feszültséget ad, és ezt egyenáramra is meg tudja tenni. Léteznek belőle igen gyors típusok is, amely elég gyors ahhoz, hogy a félvezetőt megvédje, mielőtt túl nagyra nőne az áram.

Az alkatrész egy ferrit, vagy valamilyen kedvező tulajdonságú mágneses anyagból (fémüvegből?) áll, és ennek a légrésében van egy hall-érzékelő elem. Ez a mágneses tértől függően ad ki feszültséget. A gyűrűn át kell fűzni a vezetéket, melyen a mérendő áram folyik. Ha nem egyszer, hanem többször hurkoljuk át, akkor 2x, 3x, 4x, stb. érzékenyebb lesz.

Ezekkel az áramváltókkal egyen és váltakozó mennyiségeket is könnyen mérhetünk, és nem ritka, hogy akár 1000 A-ig. Ezek sajnos szintén nem olcsó eszközök, de a sönt árával összemérhetőek, és nem vesznek fel feleslegesen teljesítményt.

A 2/6. ábra néhány nem célszerű védelmet tűntet fel. Utólagosan, ha lehet, ne építsünk rá a meglévő berendezésre ilyet. Általában a kapcsolások bemenetén szűrőkondenzátor található, és pl. az inverter kimenetén is. Nem garantálható, hogy a ki és bemeneti kapcsokon mért mennyiségek üzembiztosan tájékoztatnak arról, hogy a félvezetőkön nem-e lépett fel pillanatnyi túlterhelés.

A félvezetőket többféleképpen specifikálják. Általában megadnak egy maximális feszültséget, e fölött a félvezető átüt. Először elsődleges letörés jön létre, mint egy Z-diódánál, tehát egy kis energiájú túlfeszültség impulzus még nem teszi tönkre. A maximális áramot általában megadják 20 °C-os kristályhőmérsékletre, és 100 °C mellett is. Mivel a félvezető kristály egy adott hővezetésű hordozón van, gyakorlatilag nem tudunk neki 80-100 °C-nál kisebb réteghőmérsékletet biztosítani, normál körülmények között. (50 °C hűtőborda, nyári 30 °C meleg, ventillátoros szellőztetés stb.) Tehát ez a mérvadó áram érték.

Megadnak úgynevezett "repetitive" és "non-repetitive" túláram értékeket is. A repetitive, azaz ismételhető, azt jelenti, hogy a félvezető maximálisan megengedett áramát meghaladhatjuk impulzusban. Ez kapcsolóüzemű alkalmazásoknál előnyös. Ehhez az értékhez meg szoktak adni egy frekvenciát is. A "non-repetitive" érték az, amit egy rövid időre, pl. zárlatban meg lehet engedni, de utána "pihentetni" kell az eszközt, hogy a keletkezett nagy mennyiségű hő távozni tudjon. A pihentetés több ms-os várakozást is jelenthet.

Természetesen ha a félvezető analóg üzemben dolgozik, nem léphetjük át a maximális disszipációt, ami a rajta folyó áram és a rajta eső feszültség szorzata. Ez meghatároz egy görbét, melyet SOA-nak vagy SOAR-nak (Safe Operating Area) neveznek. Ez az adatlapban megtalálható.

Ezek csak ökölszabályok, mert minden gyártó máshogy specifikálja a félvezetőit. Az adatok feldolgozásánál legyünk körültekintőek, és mindig a legrosszabb esetre (worst case) méretezzünk!

A következőkben folytatódnak a védelmekkel, majd a vezérléssel kapcsolatos dolgok.

Hozzászólok!

A weblap további használatával Ön beleegyezik a sütik használatába. További információ

A süti beállítások ennél a honlapnál engedélyezett a legjobb felhasználói élmény érdekében. Amennyiben a beállítás változtatása nélkül kerül sor a honlap használatára, vagy az "Elfogadás" gombra történik kattintás, azzal a felhasználó elfogadja a sütik használatát.

Bezárás