آموزش ساخت اینورتر سه فاز با آردوینو و ماسفت (۱۲۰ درجه)

تولید سه سیگنال ۱۲۰ درجه با آردوینو

در این آموزش، ساخت اینورتر سه فاز را با آردوینو و ماسفت قدم‌به‌قدم انجام می‌دهیم. هدف تولید سه سیگنال با اختلاف فاز ۱۲۰ درجه و سپس تقویت آن‌ها با درایور/ترانزیستور (MOSFET یا BJT) برای راه‌اندازی بار سه‌فاز است. در پایان، خروجی مناسب برای اتصال ستاره/مثلث و نکات ایمنی و سیم‌کشی را هم مرور می‌کنیم.

سرفصل‌ها

1) شماتیک کلی مدار
2) توضیح عملکرد مدار و اتصالات ستاره/مثلث
3) کد آردوینو برای تولید سه فاز
4) شکل موج خروجی (اختلاف فاز 120 درجه)
5) نکات مهم و محدودیت‌ها

شماتیک کلی مدار اینورتر سه‌فاز

در شماتیک زیر، آردوینو سه خروجی دیجیتال (پین‌های 9، 10 و 11) تولید می‌کند. هر خروجی ابتدا وارد یک مرحله بافر/تقویت (ترانزیستورهای BC548 و BC558 در پیکربندی push-pull) می‌شود تا توان کافی برای درایو گیت ماسفت‌ها فراهم شود. سپس ماسفت‌ها (مثل IRF540 و IRF9540) ترانس‌های تک‌فاز را سوئیچ می‌کنند.

شکل: شماتیک کلی ساخت اینورتر سه‌فاز با آردوینو، BJT و MOSFET (سه کانال بافر + سه ترانس تک‌فاز)

شماتیک اینورتر سه فاز با آردوینو و ماسفت IRF540 IRF9540

مدار چگونه کار می‌کند؟

برای ساخت اینورتر سه‌فاز از یک میکروکنترلر (آردوینو) استفاده می‌شود که سه شکل موج با اختلاف فاز 120 درجه تولید می‌کند. از آنجا که خروجی مستقیم آردوینو برای درایو توان مناسب نیست، سیگنال‌ها وارد مرحله بافر می‌شوند. در این مرحله، BJT ها در پیکربندی push-pull قرار گرفته‌اند تا هم سطح LOW و هم HIGH را تقویت کرده و گیت ماسفت‌ها را سریع‌تر شارژ/دشارژ کنند. در نهایت، ماسفت‌ها جریان را در اولیه ترانس‌ها سوئیچ می‌کنند و در خروجی ترانس‌ها ولتاژ سه‌فاز شکل می‌گیرد.

اتصالات ستاره و مثلث در ترانس سه‌فاز

ایده این آموزش این است که با «سه ترانس تک‌فاز مشابه» یک ترانس سه‌فاز بسازیم. معمولاً می‌توانید سیم‌پیچ‌های اولیه یا ثانویه را به صورت مثلث (Δ) یا ستاره (Y) ببندید. در اتصال ستاره در سمت ثانویه، علاوه بر سه خروجی فاز، یک نول (Neutral) مشترک هم خواهید داشت که برای برخی مصرف‌کننده‌ها کاربردی است.

کد آردوینو برای تولید سه فاز (PWM/موج مربعی)

کد زیر سه خروجی با اختلاف فاز ایجاد می‌کند. مقدار delayMicroseconds(t) فرکانس خروجی را تعیین می‌کند. این مثال موج مربعی می‌سازد (نه سینوسی). برای بهبود کیفیت خروجی، معمولاً از SPWM و فیلتر/طراحی درایور مناسب استفاده می‌شود.

const int output_1 = 9;
const int output_2 = 10;
const int output_3 = 11;
const int t = 3310;

void setup()
{
  pinMode(output_1, OUTPUT); // Phase 1
  pinMode(output_2, OUTPUT); // Phase 2
  pinMode(output_3, OUTPUT); // Phase 3
}

void loop()
{
  delayMicroseconds(t);
  digitalWrite(output_1, LOW);
  delayMicroseconds(t);
  digitalWrite(output_2, HIGH);
  delayMicroseconds(t);
  digitalWrite(output_3, LOW);
  delayMicroseconds(t);
  digitalWrite(output_1, HIGH);
  delayMicroseconds(t);
  digitalWrite(output_2, LOW);
  delayMicroseconds(t);
  digitalWrite(output_3, HIGH);
}

شکل موج سه‌فاز خروجی آردوینو

برای شبیه‌سازی یا بررسی سیگنال سه‌فاز، باید سه خروجی آردوینو را روی اسیلوسکوپ/لاگ سریال ببینید که هر کدام نسبت به دیگری حدود 120 درجه اختلاف فاز دارند. تصویر زیر نمونه‌ای از همین اختلاف فاز را نشان می‌دهد.

نمونه شکل موج سه‌فاز تولیدشده توسط آردوینو با اختلاف فاز 120 درجه

نکات مهم قبل از ساخت

• این مدار آموزشی است و خروجی آن موج مربعی است؛ برای کاربردهای حساس معمولاً به SPWM، درایور گیت حرفه‌ای، حفاظت‌ها و فیلتر نیاز دارید.
• توان خروجی به ولتاژ/جریان قابل تحمل ترانس‌ها و ماسفت‌ها و همچنین خنک‌کاری وابسته است.
• هنگام کار با ولتاژهای بالا، ایمنی (فیوز، ایزولاسیون، ارت، فاصله‌گذاری PCB و …) را جدی بگیرید.

جمع‌بندی

در این آموزش دیدیم که با تولید سه سیگنال 120 درجه از آردوینو و تقویت آن‌ها با BJT و MOSFET، می‌توان سه ترانس تک‌فاز را به شکل یک سیستم سه‌فاز راه‌اندازی کرد. اگر قصد داری خروجی سینوسی و کیفیت بالاتر داشته باشی، قدم بعدی پیاده‌سازی SPWM و استفاده از درایورهای گیت مناسب است.