Comment une augmentation de la fréquence de fonctionnement entraîne-t-elle une diminution de la taille d'un circuit inverseur?

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Je lisais sur les onduleurs dans un manuel où l'auteur dit que

La taille et le coût du circuit peuvent être réduits dans une certaine mesure si la fréquence de fonctionnement est augmentée, mais il faut alors utiliser des thyristors de qualité inverseur qui sont coûteux.

Comment une augmentation de la fréquence a-t-elle un impact sur la taille du circuit inverseur (ou affecte-t-elle également le reste du circuit?).

inverter high-frequency

— Vineet Kaushik
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Le plus grand facteur unique est généralement la taille de l'inducteur. Si vous p. Ex. Double fréquence, vous pouvez généralement diviser par deux l'inductance (car l'impédance d'une inductance pure est proportionnelle à la fréquence). Dans la pratique, un certain nombre de facteurs s'appliquent afin que ce ne soit pas une relation directement linéaire, mais suffisamment bonne.

Si vous avez besoin d'un courant de crête de 1A, le temps nécessaire pour passer de 0 à 1A est principalement lié à l'inductance et à la tension appliquée. Si l'inductance est, disons, 10 fois plus petite, les rampes de courant à ~ 10 fois la vitesse. Le temps de décharge est également accéléré de manière similaire et le cycle global est plus rapide, la fréquence de fonctionnement est donc plus élevée. Vous pouvez considérer cela comme la plus petite inductance provoquant un fonctionnement à plus haute fréquence ou de la plus haute fréquence permettant de plus petites inductances.

Si le texte mentionne les thyristors dans ce contexte, il s'agit probablement soit d'un ancien, soit de niveaux de puissance extrêmement élevés. De nos jours, dans la plupart des cas, les onduleurs utilisent généralement des MOSFET ou des IGBT. Les très grands onduleurs peuvent encore utiliser des vannes Thyratron - comme les nombreuses unités MegaWatt utilisées pour la conversion de puissance CC en CA pour les câbles sous-marins CC.

Dans les applications modernes portables typiques, un onduleur qui a peut-être fonctionné à 100 kHz ou moins il y a plus de 10 ans est désormais susceptible de fonctionner à 500 kHz à 2 MHz et quelques-uns à nouveau à un niveau supérieur. À 1 MHz + et à des niveaux de puissance de quelques watts, la taille de l'inductance peut être de 10% à 20% de la taille à 100 kHz et l'inductance peut encore dominer la taille globale.

Notez que la capacité de transport de courant ~ proportionnelle à la zone du fil, mais l'inductance est proportionnelle aux spires au carré. Cela ne signifie pas cependant que la taille du cœur ne change qu'avec la fréquence carrée, car vous avez des problèmes de section transversale du cœur, de longueur de chemin de cœur, de taille de fenêtre d'enroulement et plus encore pour ajouter au plaisir.

— Russell McMahon
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N'est-ce pas ? Comment l'impédance est-elle alors inversement proportionnelle à la fréquence?

Z_{L} = 2 π f L

$Z_L = 2 \pi fL$

— Vineet Kaushik

@VineetKaushik - Oups - mon cerveau et ma bouche (mains) ne sont pas synchronisés :-). -> proportionnel. c'est-à-dire que j'essayais de transmettre que lorsque la fréquence augmente, la taille physique de l'inductance diminue pour atteindre le même travail. Aussi, comme Brian Drummond l'a correctement suggéré (réponse supprimée), la puissance lorsque l'énergie est stockée dans une inductance dans le cadre du processus est proportionnelle à L x I ^ 2 x f. Lorsque f augmente, vous pouvez utiliser une inductance proportionnellement plus petite - par exemple, analogie avec l'eau: plus de godets transférés plus rapidement le long d'une ligne de godets fournissent le même débit.

— Russell McMahon

La réponse de @Brian Drummonds qu'il a supprimée était essentiellement correcte et utile. Il a déclaré: Fondamentalement, un onduleur transfère des paquets d'énergie d'un circuit à un autre. En tant que tel, il doit stocker ou transférer une quantité d'énergie donnée dans un cycle de commutation. Gardez la puissance souhaitée constante et vous réduisez l'énergie transférée par cycle, permettant à un composant plus petit de le stocker ou de le traiter.

— Russell McMahon

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L'utilisation d'une fréquence plus élevée nécessite des condensateurs plus petits, des inducteurs / transformateurs physiquement plus petits et leurs noyaux, et réduit donc la taille globale d'une conception.

Réactance capacitive $X_C = \dfrac{1}{2\pi fC}$ , donc pour une réactance donnée souhaitée (filtrage, etc.), une fréquence plus élevée fpermet une capacité plus faible C.
Réactance inductive $X_L = 2 \pi fL$ là encore, pour une réactance donnée, une fréquence plus élevée fpermet une inductance plus petite L.

D'un autre côté, en fonction de la destination, un convertisseur haute fréquence peut ne pas convenir à la fin: Pour les onduleurs domestiques, une sortie au moins approximativement proche de la fréquence du secteur est requise pour la plupart des équipements.

Certains onduleurs sinusoïdaux résolvent cela en fonctionnant à une fréquence beaucoup plus élevée, de kilohertz à mégahertz, et en générant la forme d'onde sinusoïdale via PWM. Ainsi, la majeure partie de la transmission de puissance se produit à la fréquence la plus élevée, avec un filtre passe-bas au dernier étage pour se débarrasser des harmoniques supérieures du signal PWM, et laisser une onde sinusoïdale lisse à la 50/60 Hz souhaitée.

— Anindo Ghosh
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Monsieur, êtes-vous sûr de cela. Parce que de nombreux onduleurs n'ont pas d'onde sinusoïdale. Il a une onde sinusoïdale modifiée.

— Standard Sandun

@sandundhammika Convenu que de nombreux onduleurs ne sont pas de la pure onde sinusoïdale. Ceux qui sont de véritables ondes sinusoïdales sont ceux auxquels ma réponse fait référence.

— Anindo Ghosh

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J'avais le même problème et voici ce que j'ai trouvé:

XL = 2πfL
Z = (R2 + XL) 1/2
I = V / Z

Lorsque f augmente, XL augmente.
Lorsque XL augmente, Z augmente.
I est inversement proportionnel à Z donc quand Z augmente, I diminue.
Par conséquent, l'augmentation de la fréquence entraîne une diminution du courant.

— Nalindaka
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