Ühefaasilise inverteri kavandamine ja rakendamine: 9 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:46

Selles juhendis uuritakse Dialogi GreenPAK ™ CMIC-de kasutamist jõuelektroonika rakendustes ja demonstreeritakse ühefaasilise muunduri rakendamist, kasutades erinevaid juhtimismeetodeid. Ühefaasilise muunduri kvaliteedi määramiseks kasutatakse erinevaid parameetreid. Oluline parameeter on täielik harmooniline moonutus (THD). THD on signaali harmoonilise moonutuse mõõtmine ja seda määratletakse kui kõigi harmooniliste komponentide võimsuste summa ja põhisageduse võimsuse suhte suhet.

Allpool kirjeldasime samme, mida on vaja mõista, kuidas lahendus on programmeeritud ühefaasilise muunduri loomiseks. Kui aga soovite lihtsalt programmeerimise tulemust saada, laadige GreenPAKi tarkvara alla, et vaadata juba valminud GreenPAK disainifaili. Ühendage GreenPAK arenduskomplekt arvutiga ja vajutage programmi, et luua ühefaasiline muundur.

Samm: ühefaasiline inverter

Toiteinverter ehk inverter on elektrooniline seade või vooluahel, mis muudab alalisvoolu (DC) vahelduvvooluks (AC). Sõltuvalt vahelduvvoolu väljundi faaside arvust on invertereid mitut tüüpi.

● Ühefaasilised muundurid

● Kolmefaasilised muundurid

Alalisvool on elektrilaengu ühesuunaline voog. Kui puhtalt takistuslikule vooluahelale rakendatakse konstantset pinget, põhjustab see konstantse voolu. Võrreldes vahelduvvooluga muudab elektrivoolu vool perioodiliselt polaarsust. Kõige tüüpilisem vahelduvvoolu lainekuju on siinuslaine, kuid see võib olla ka kolmnurkne või ruudukujuline laine. Elektrienergia ülekandmiseks erinevate vooluprofiilidega on vaja spetsiaalseid seadmeid. Seadmeid, mis muudavad vahelduvvoolu alalisvooluks, nimetatakse alalditeks ja seadmeid, mis muudavad alalisvoolu vahelduvvooluks, nimetatakse inverteriteks.

2. etapp: ühefaasilise inverteri topoloogiad

Ühefaasilisi muundureid on kaks peamist topoloogiat; poolsilla ja täissilla topoloogiad. See rakendusmärkus keskendub täissilla topoloogiale, kuna see annab kahekordse väljundpinge võrreldes poolsilla topoloogiaga.

3. samm: täissillaga topoloogia

Täissillaga topoloogias on vaja 4 lülitit, kuna vahelduv väljundpinge saadakse lülituselementide kahe haru vahega. Väljundpinge saadakse transistoride aruka sisse- ja väljalülitamisega teatud ajahetkedel. Sõltuvalt sellest, millised lülitid on suletud, on neli erinevat olekut. Allolev tabel võtab kokku olekud ja väljundpinge, mille alusel lülitid on suletud.

Väljundpinge maksimeerimiseks peab iga haru sisendpinge põhikomponent olema 180º faasist väljas. Iga haru pooljuhid on jõudluses üksteist täiendavad, st kui üks juhib teist, on see katkenud ja vastupidi. Seda topoloogiat kasutatakse inverterite puhul kõige laialdasemalt. Joonisel 1 toodud diagramm näitab ühefaasilise muunduri täissilla topoloogia vooluringi.

Samm: isoleeritud värava bipolaarne transistor

Isoleeritud värava bipolaarne transistor (IGBT) on nagu MOSFET, millele on lisatud kolmas PN -ühendus. See võimaldab pingepõhist juhtimist, nagu MOSFET, kuid väljundomadustega nagu BJT seoses suurte koormuste ja madala küllastuspingega.

Selle staatilises käitumises võib täheldada nelja peamist piirkonda.

● Laviinipiirkond

● küllastuspiirkond

● Lõikekoht

● Aktiivne piirkond

Laviinipiirkond on ala, kus rakendatakse purunemispingest madalamat pinget, mille tagajärjel IGBT hävib. Lõikepiirkond sisaldab väärtusi alates rikkepingest kuni lävipingeni, kus IGBT ei juhi. Küllastuspiirkonnas käitub IGBT sõltuva pingeallikana ja jadatakistusena. Pinge madalate kõikumistega on võimalik saavutada suur voolu võimendus. See piirkond on tööks kõige soovitavam. Kui pinget suurendatakse, siseneb IGBT aktiivsesse piirkonda ja vool jääb konstantseks. IGBT -le on kehtestatud maksimaalne pinge, et see ei satuks laviini piirkonda. See on jõuelektroonika üks enimkasutatavaid pooljuhte, kuna see suudab toetada laia pinget vahemikus mõnest voltist kV -ni ja võimsust vahemikus kW kuni MW.

Need isoleeritud värava bipolaarsed transistorid toimivad lülitusseadmetena täissilla ühefaasilise inverteri topoloogia jaoks.

Samm 5: GreenPAKis impulsi laiuse moduleerimise plokk

Pulse Width Modulation (PWM) plokk on kasulik plokk, mida saab kasutada paljude rakenduste jaoks. DCMP/PWM plokki saab konfigureerida PWM plokiks. PWM -ploki saab hankida FSM0 ja FSM1 kaudu. PWM IN+ pin on ühendatud FSM0-ga, IN-pin on aga FSM1-ga. Nii FSM0 kui ka FSM1 pakuvad PWM-plokile 8-bitiseid andmeid. PWM ajavahemik on määratletud FSM1 ajavahemiku järgi. PWM ploki töötsüklit juhib FSM0.

?????? ???? ????? = ??+ / 256

Töötsükli konfigureerimiseks on kaks võimalust:

● 0-99,6%: alalisvool on vahemikus 0% kuni 99,6% ja määratakse IN+/256.

● 0,39-100%: alalisvool on vahemikus 0,39% kuni 100% ja määratakse (IN + + 1)/256.

6. etapp: GreenPAK disain PWM -põhise ruutlaine rakendamiseks

Ühefaasilise muunduri rakendamiseks saab kasutada erinevaid juhtimismetoodikaid. Üks selline juhtimisstrateegia hõlmab ühefaasilise muunduri jaoks PWM-põhist ruutlainet.

GreenPAK CMIC -d kasutatakse perioodiliste lülitusmustrite loomiseks, et muundada alalisvool mugavaks vahelduvvooluks. Alalisvoolu pingeid toidetakse akust ja inverterist saadud väljundit saab kasutada vahelduvvoolu koormamiseks. Selle rakenduse jaoks on vahelduvvoolu sageduseks seatud 50 Hz, mis on tavaline majapidamises kasutatav sagedus paljudes maailma paikades. Vastavalt sellele on periood 20 ms.

Lülitusmuster, mille GreenPAK peab SW1 ja SW4 jaoks genereerima, on näidatud joonisel 3.

SW2 ja SW3 lülitusmuster on näidatud joonisel 4

Ülaltoodud lülitusmustreid saab mugavalt toota PWM -ploki abil. PWM ajavahemik määratakse FSM1 ajavahemiku järgi. FSM1 ajavahemik peab olema seatud 20 ms, mis vastab 50 Hz sagedusele. PWM -ploki töötsüklit kontrollivad FSM0 -st pärinevad andmed. 50% töötsükli genereerimiseks on FSM0 loenduri väärtus seatud 128.

Vastav GreenPAK disain on näidatud joonisel 5.

Samm: ruutlaine juhtimise strateegia puudused

Ruutlaine juhtimisstrateegia kasutamine tekitab muunduris suure hulga harmoonilisi. Peale põhisageduse on ruutlaine inverteritel paaritu sagedusega komponendid. Need harmoonilised põhjustavad masina voo küllastumist, põhjustades seega masina halva jõudluse, kahjustades mõnikord isegi riistvara. Seega on seda tüüpi inverterite toodetud THD väga suur. Selle probleemi lahendamiseks võib kasutada teist juhtimisstrateegiat, mida nimetatakse kvaasiruutlaineks, et oluliselt vähendada muunduri poolt toodetud harmoonikute hulka.

8. etapp: GreenPAK disain PWM-põhise kvaasiruutlaine rakendamiseks

Kvaasi-ruutlaine juhtimisstrateegias on kasutusele võetud nullväljundpinge, mis võib oluliselt vähendada tavapärases ruutlainekujus esinevaid harmoonilisi. Kvaasi-ruutlaine inverteri kasutamise peamised eelised on järgmised:

● Põhikomponendi amplituudi saab juhtida (α abil)

● Teatud harmoonilist sisu saab kõrvaldada (ka α juhtimisega)

Põhikomponendi amplituudi saab kontrollida α väärtuse reguleerimisega, nagu on näidatud valemis 1.

N -nda harmoonilise saab kõrvaldada, kui selle amplituud on null. Näiteks kolmanda harmoonilise amplituud (n = 3) on null, kui α = 30 ° (valem 2).

GreenPAK disain kvaasiruutlaine juhtimisstrateegia rakendamiseks on näidatud joonisel 9.

PWM -plokki kasutatakse 50 % töötsükliga ruudukujulise lainekuju genereerimiseks. Nullväljundpinge sisestatakse viivitusega pingele, mis ilmub väljundis Pin-15. Plokk P-DLY1 on konfigureeritud lainekuju tõusva serva tuvastamiseks. P-DLY1 tuvastab perioodiliselt tõusva serva pärast iga perioodi ja käivitab DLY-3 ploki, mis põhjustab 2-sekundilise viivituse enne VDD kiirendamist D-flip flopil, et võimaldada Pin-15 väljundit.

Pin-15 võib põhjustada nii SW1 kui ka SW4 sisselülitamise. Kui see juhtub, ilmub kogu koormusele positiivne pinge.

P-DLY1 tõusva serva tuvastamise mehhanism aktiveerib ka DLY-7 ploki, mis pärast 8 ms lähtestab D-flip flopi ja väljundisse ilmub 0 V.

DLY-8 ja DLY-9 käivitatakse samuti samast tõusvas servast. DLY-8 tekitab 10 ms viivituse ja käivitab uuesti DLY-3, mis 2 ms pärast hakkab DFF-i jälgima, põhjustades kahe AND-värava vahel loogilise kõrguse.

Sel hetkel muutub PWM -ploki Out+ väärtuseks 0, kuna ploki töötsükkel on konfigureeritud olema 50 %. Pin-16 kohal ilmub väljund, mis põhjustab SW2 ja SW3 sisselülitamise, tekitades koormusele vahelduva pinge. Pärast 18 ms DLY-9 lähtestamist DFF ja 0V ilmub Pin-16-le ja perioodiline tsükkel jätkab vahelduvvoolu signaali väljastamist.

Erinevate GreenPAK plokkide konfiguratsioon on näidatud joonistel 10-14.

9. samm: tulemused

12 V alalispinge tarnitakse akult muundurile. Inverter muudab selle pinge vahelduvvoolu lainekujuks. Inverteri väljund suunatakse astmelisele trafole, mis muudab 12 V vahelduvpinge 220 V-ks, mida saab kasutada vahelduvvoolu koormuste juhtimiseks.

Järeldus

Selles juhendis oleme rakendanud ühefaasilise muunduri, kasutades ruutlaine ja kvaasiväljalaine juhtimisstrateegiaid, kasutades GreenPAKi ja CMIC-i. GreenPAK CMIC-d toimivad mugavalt mikrokontrollerite ja analoogskeemide asendajana, mida tavaliselt kasutatakse ühefaasilise muunduri rakendamiseks. Lisaks on GreenPAK CMIC -del potentsiaali kolmefaasiliste inverterite projekteerimisel.