¿Cómo un aumento en la frecuencia de operación resulta en una disminución en el tamaño de un circuito inversor?

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Estaba leyendo sobre inversores en un libro de texto donde el autor dice que

El tamaño y el costo del circuito se pueden reducir en cierta medida si se aumenta la frecuencia de operación, pero luego se deben utilizar tiristores de grado inversor, que son costosos.

¿Cómo un aumento en la frecuencia tiene un impacto en el tamaño del circuito inversor (o afecta también al resto del circuito?) ¿Hay alguna física involucrada que causa esto?

inverter high-frequency

— Vineet Kaushik
fuente

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El factor individual más grande suele ser el tamaño del inductor. Si, por ejemplo, doble frecuencia, generalmente puede reducir a la mitad la inductancia (ya que la impedancia de un inductor puro es proporcional a la frecuencia). En la práctica, se aplican una serie de factores para que no sea una relación directamente lineal, sino lo suficientemente buena.

Si necesita una corriente máxima de, digamos, 1A, el tiempo necesario para aumentar de 0 a 1A está relacionado principalmente con la inductancia y el voltaje aplicado. Si el inductor es, digamos, 10 veces más pequeño, la corriente aumenta a ~ 10 veces la velocidad. El tiempo de descarga también se acelera de manera similar y el ciclo general es más rápido, por lo que la frecuencia de operación es mayor. Puede ver esto como el inductor más pequeño que causa una operación de frecuencia más alta o de la frecuencia más alta que permite inductores más pequeños.

Si el texto menciona tiristores en ese contexto, probablemente sea uno viejo o se trate de niveles de potencia extremadamente altos. Hoy en día, para la mayoría de los propósitos, los inversores suelen utilizar MOSFET o IGBT. Los inversores más grandes aún pueden usar válvulas Thyratron, como las muchas unidades MegaWatt utilizadas para la conversión de CC a CA para cables submarinos de CC.

En aplicaciones modernas portátiles típicas, un inversor que puede haber funcionado a 100 kHz o menos hace más de 10 años ahora puede funcionar a 500 kHz a 2 MHz y algunos operan a una velocidad más alta nuevamente. A 1 MHz + y niveles de potencia de unos pocos vatios, el tamaño del inductor puede ser del 10% -20% del tamaño a 100 kHz y el inductor aún puede dominar el tamaño total.

Tenga en cuenta que la capacidad de carga de corriente ~ es proporcional al área del cable, pero la inductancia es proporcional a las vueltas al cuadrado. Sin embargo, esto no significa que el tamaño del núcleo cambie solo con la frecuencia cuadrada de frecuencia, ya que tiene problemas con la sección transversal del núcleo, la longitud de la ruta del núcleo, el tamaño de la ventana del devanado y más para agregar a la diversión.

— Russell McMahon
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No es

Z_{L} = 2 π f L

$Z_L = 2 \pi fL$ ? ¿Cómo es la impedancia inversamente proporcional a la frecuencia?

— Vineet Kaushik

@VineetKaushik - Vaya, mi cerebro y mi boca (manos) no están sincronizados :-). -> proporcional. es decir, estaba tratando de transmitir que a medida que aumenta la frecuencia, el tamaño físico del inductor disminuye para lograr el mismo trabajo. Además, como Brian Drummond sugirió correctamente (respuesta eliminada) la potencia cuando la energía se almacena en un inductor como parte del proceso es proporcional a L x I ^ 2 x f. A medida que aumenta f, puede usar un inductor proporcionalmente más pequeño, por ejemplo, analogía del agua: más cubos transferidos más rápido a lo largo de una línea de cubeta entregan el mismo flujo.

— Russell McMahon

La respuesta de @Brian Drummonds que eliminó fue esencialmente correcta y útil. Él dijo: Básicamente, un inversor transfiere paquetes de energía de un circuito a otro. Como tal, necesita almacenar o transferir una cantidad dada de energía en un ciclo de conmutación. Mantenga constante la potencia deseada y reduzca la energía transferida por ciclo, permitiendo que un componente más pequeño la almacene o procese.

— Russell McMahon

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El uso de frecuencias más altas requiere condensadores más pequeños, inductores / transformadores físicamente más pequeños y sus núcleos, y por lo tanto reduce el tamaño total de un diseño.

Reactancia capacitiva , por lo que para cualquier reactancia deseada (filtrado, etc.) una frecuencia más alta permite una capacitancia más baja . $X_C = \dfrac{1}{2\pi fC}$ fC
Reactancia inductiva $X_L = 2 \pi fL$ así que de nuevo, para cualquier reactancia dada, una frecuencia más alta fpermite una inductancia menor L.

Por otro lado, dependiendo del propósito previsto, un inversor de alta frecuencia podría no ser adecuado para el propósito: para la mayoría de los equipos se requiere una salida al menos aproximadamente cercana a la frecuencia de la red eléctrica.

La forma en que algunos inversores de onda sinusoidal abordan esto es operando a una frecuencia mucho mayor, kilohercios a megahercios, y generando la forma de onda sinusoidal a través de PWM. Por lo tanto, la mayor parte de la transmisión de potencia se produce a la frecuencia más alta, con un filtro de paso bajo de etapa final para eliminar los armónicos más altos de la señal PWM y dejar una onda sinusoidal suave a los 50/60 Hz deseados.

— Anindo Ghosh
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Señor, ¿está seguro de esto? Porque muchos inversores no tienen una onda sinusoidal. Tiene una onda sinusoidal modificada.

— Sandun estándar el

@sandundhammika Convino en que muchos inversores no son onda sinusoidal pura. Las que son verdaderas ondas sinusoidales son a las que se refiere mi respuesta.

— Anindo Ghosh

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Estaba teniendo el mismo problema y esto es lo que encontré:

XL = 2πfL
Z = (R2 + XL) 1/2
I = V / Z

Cuando f aumenta, XL aumenta.
Cuando XL aumenta, Z aumenta.
I es inversamente proporcional a Z, por lo tanto, cuando Z aumenta, disminuye.
Por lo tanto, el aumento de la frecuencia da como resultado una disminución de la corriente.

— Nalindaka
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