In che modo un aumento della frequenza operativa determina una riduzione delle dimensioni di un circuito inverter?

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Stavo leggendo degli inverter in un libro di testo in cui l'autore dice che

Le dimensioni e il costo del circuito possono essere ridotti in una certa misura se si aumenta la frequenza operativa, ma è necessario utilizzare tiristori di grado inverter che siano costosi.

In che modo un aumento della frequenza ha un impatto sulla dimensione del circuito dell'inverter (o influisce anche sul resto del circuito?) C'è qualche fisica coinvolta che causa questo?

inverter high-frequency

— Vineet Kaushik
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Il singolo fattore più grande è generalmente la dimensione dell'induttore. Ad esempio, se si utilizza la doppia frequenza, è possibile dimezzare l'induttanza (poiché l'impedenza di un induttore puro è proporzionale alla frequenza). In pratica si applicano numerosi fattori in modo che non si tratti di una relazione direttamente lineare, ma abbastanza buona.

Se hai bisogno di una corrente di picco di 1A, il tempo impiegato per salire da 0 a 1A è legato principalmente all'induttanza e alla tensione applicata. Se l'induttore è 10 volte più piccolo, la corrente aumenta a ~ 10 volte la velocità. Anche il tempo di scarica è accelerato in modo simile e il ciclo complessivo è più veloce, quindi la frequenza operativa è più alta. Puoi vedere questo come l'induttore più piccolo che causa un funzionamento a frequenza più alta o della frequenza più alta che consente induttori più piccoli.

Se il testo menziona i tiristori in quel contesto, probabilmente è vecchio o ha a che fare con livelli di potenza estremamente elevati. Al giorno d'oggi, per la maggior parte degli scopi gli inverter userebbero normalmente MOSFET o IGBT. Gli inverter più grandi possono ancora utilizzare valvole Thyratron, come le molte unità MegaWatt utilizzate per la conversione di potenza da CC a CA per cavi sottomarini CC.

Nelle tipiche applicazioni portatili moderne un inverter che potrebbe essere stato utilizzato a 100 kHz o meno 10+ anni fa è ora in grado di funzionare da 500 kHz a 2 MHz e alcuni funzionano di nuovo a un livello superiore. A 1 MHz + e livelli di potenza di alcuni Watt, la dimensione dell'induttore può essere del 10% -20% della dimensione a 100 kHz e l'induttore può ancora dominare la dimensione complessiva.

Si noti che la capacità di carico corrente ~ è proporzionale all'area del filo ma l'induttanza è proporzionale ai giri quadrati. Ciò non significa però che le dimensioni del nucleo cambino solo con sqrt di frequenza poiché hai problemi di sezione trasversale del nucleo, lunghezza del percorso del nucleo, dimensione della finestra di avvolgimento e altro da aggiungere al divertimento.

— Russell McMahon
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Non è ? In che modo l'impedenza è quindi inversamente proporzionale alla frequenza?

Z_{L} = 2 π f L

$Z_L = 2 \pi fL$

— Vineet Kaushik,

@VineetKaushik - Whoops - il mio cervello e la mia bocca (mani) non sono sincronizzati :-). -> proporzionale. cioè stavo cercando di comunicare che quando la frequenza aumenta la dimensione fisica dell'induttore scende per raggiungere lo stesso lavoro. Anche come Brian Drummond suggeriva correttamente (risposta eliminata) la potenza quando l'energia è immagazzinata in un induttore come parte del processo è proporzionale a L x I ^ 2 x f. All'aumentare di f è possibile utilizzare un induttore proporzionalmente più piccolo, ad esempio un'analogia dell'acqua: più secchi trasferiti più rapidamente lungo una linea di tazze forniscono lo stesso flusso.

— Russell McMahon,

La risposta di @Brian Drummonds che ha eliminato era essenzialmente corretta ed era utile. Ha detto: Fondamentalmente un inverter trasferisce pacchetti di energia da un circuito all'altro. Pertanto, deve immagazzinare o trasferire una determinata quantità di energia in un ciclo di commutazione. Mantenere costante la potenza desiderata e ridurre l'energia trasferita per ciclo, consentendo a un componente più piccolo di immagazzinarlo o elaborarlo.

— Russell McMahon,

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L'uso di una frequenza più alta richiede condensatori più piccoli, induttori / trasformatori fisicamente più piccoli e i loro nuclei, e quindi riduce le dimensioni complessive di un progetto.

Reattanza capacitiva $X_C = \dfrac{1}{2\pi fC}$ , quindi per ogni data reattanza desiderata (filtro ecc.) una frequenza più alta fconsente una capacità inferiore C.
Reattanza induttiva $X_L = 2 \pi fL$ così di nuovo, per ogni data reattanza, una frequenza più alta fconsente un'induttanza più piccola L.

D'altra parte, a seconda dello scopo previsto, un inverter ad alta frequenza potrebbe non essere adatto allo scopo: per gli inverter domestici, è necessaria un'uscita almeno approssimativamente vicina alla frequenza di rete per la maggior parte delle apparecchiature.

Il modo in cui alcuni inverter sinusoidali affrontano questo problema è operando a una frequenza molto più alta, da kilohertz a megahertz, e generando la forma d'onda sinusoidale tramite PWM. Pertanto, la maggior parte della trasmissione di potenza avviene alla frequenza più elevata, con un filtro passa-basso allo stadio finale per eliminare le armoniche più elevate dal segnale PWM e lasciare un'onda sinusoidale liscia alla desiderata 50/60 Hz.

— Anindo Ghosh
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Signore, ne sei sicuro. Perché molti inverter non hanno un'onda sinusoidale. Ha un'onda sinusoidale modificata.

— Standard Sandun,

@sandundhammika Concordato sul fatto che molti inverter non sono onda sinusoidale pura. Quelle che sono vere onde sinusoidali, sono quelle a cui si riferisce la mia risposta.

— Anindo Ghosh,

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Stavo avendo lo stesso problema ed ecco cosa ho trovato:

XL = 2πfL
Z = (R2 + XL) 1/2
I = V / Z

Quando f aumenta XL aumenta.
Quando XL aumenta Z aumenta.
I è inversamente proporzionale a Z quindi quando Z aumenta I diminuisce.
Pertanto un aumento della frequenza comporta una riduzione della corrente.

— Nalindaka
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