Egyfázisú inverter tervezése és megvalósítása: 9 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:40

Ez az Instructable feltárja a Dialog GreenPAK ™ CMIC-jeinek használatát a teljesítményelektronikai alkalmazásokban, és bemutatja az egyfázisú inverter megvalósítását különböző vezérlési módszerek alkalmazásával. Az egyfázisú inverter minőségének meghatározásához különböző paramétereket használnak. Fontos paraméter a teljes harmonikus torzítás (THD). A THD a jel harmonikus torzításának mérése, és az összes harmonikus komponens teljesítményének és az alapfrekvencia teljesítményének az aránya.

Az alábbiakban leírtuk a szükséges lépéseket annak megértéséhez, hogy a megoldás hogyan lett programozva az egyfázisú inverter létrehozásához. Ha azonban csak a programozás eredményét szeretné elérni, töltse le a GreenPAK szoftvert a már elkészült GreenPAK tervezési fájl megtekintéséhez. Csatlakoztassa a GreenPAK fejlesztőkészletet a számítógépéhez, és nyomja meg a programot az egyfázisú inverter létrehozásához.

1. lépés: Egyfázisú inverter

A teljesítményváltó vagy inverter egy elektronikus eszköz vagy áramkör, amely az egyenáramot (DC) váltakozó árammá (AC) változtatja. Az AC kimenet fázisainak számától függően többféle inverter létezik.

● Egyfázisú inverterek

● Háromfázisú inverterek

Az egyenáram az elektromos töltés egyirányú áramlása. Ha állandó feszültséget alkalmaznak tisztán ellenállásos áramkörön, az állandó áramot eredményez. Összehasonlításképpen, az AC -vel az elektromos áram periodikusan megfordítja a polaritást. A legjellemzőbb váltakozó áramú hullámforma a szinusz, de lehet háromszög vagy négyzet alakú hullám is. A különböző áramprofilokkal rendelkező villamos energia átviteléhez speciális eszközökre van szükség. Az AC -t egyenárammá alakító eszközöket egyenirányítóként, az egyenáramot váltakozó árammá alakító eszközöket pedig inverterekként ismerik.

2. lépés: Az egyfázisú inverter topológiái

Az egyfázisú invertereknek két fő topológiája van; félhíd és teljes híd topológiák. Ez az alkalmazási megjegyzés a teljes híd topológiájára összpontosít, mivel kétszeres kimeneti feszültséget biztosít a félhíd topológiához képest.

3. lépés: Teljes hídú topológia

Teljes hídos topológiában 4 kapcsolóra van szükség, mivel a váltakozó kimeneti feszültséget a kapcsolócellák két ága közötti különbség adja. A kimeneti feszültséget a tranzisztorok intelligens be- és kikapcsolásával lehet elérni bizonyos időpontokban. Négy különböző állapot létezik, attól függően, hogy mely kapcsolók vannak zárva. Az alábbi táblázat összefoglalja a kapcsolók zárt állapotát és kimeneti feszültségét.

A kimeneti feszültség maximalizálása érdekében a bemeneti feszültség alapvető összetevőjének minden ágon 180º -nak kell lennie a fázison kívül. Az egyes ágak félvezetői teljesítőképességükben kiegészítik egymást, vagyis amikor az egyik vezeti a másikat, le van vágva, és fordítva. Ez a topológia a leggyakrabban használt inverterek. Az 1. ábra diagramja egy egyfázisú inverter teljes hídú topológiájának áramkörét mutatja.

4. lépés: Szigetelt kapu bipoláris tranzisztor

A szigetelt kapu bipoláris tranzisztor (IGBT) olyan, mint egy MOSFET egy harmadik PN -csatlakozás hozzáadásával. Ez lehetővé teszi a feszültség alapú vezérlést, mint például a MOSFET, de olyan kimeneti jellemzőkkel, mint a BJT a nagy terhelések és az alacsony telítési feszültség tekintetében.

Négy fő régió figyelhető meg statikus viselkedésén.

● lavina régió

● Telítési régió

● Vágási terület

● Aktív régió

A lavina régió az a terület, ahol a meghibásodási feszültség alatti feszültséget alkalmaznak, ami az IGBT megsemmisítését eredményezi. A vágási terület értékeket tartalmaz a megszakítási feszültségtől a küszöbfeszültségig, ahol az IGBT nem vezet. A telítési régióban az IGBT függő feszültségforrásként és soros ellenállásként viselkedik. Alacsony feszültségingadozásokkal nagy áramerősítés érhető el. Ez a terület a legkívánatosabb a működéshez. Ha a feszültséget növelik, az IGBT belép az aktív régióba, és az áram állandó marad. Maximális feszültséget alkalmaznak az IGBT számára annak biztosítására, hogy ne lépjen be a lavina régióba. Ez az egyik leggyakrabban használt félvezető a teljesítményelektronikában, mivel a feszültségek széles skáláját képes támogatni néhány V -tól kV -ig, valamint a kW és MW közötti teljesítményeket.

Ezek a szigetelt kapu bipoláris tranzisztorok kapcsolóeszközként működnek a teljes hídú egyfázisú inverter topológiában.

5. lépés: Impulzusszélesség -modulációs blokk a GreenPAK -ban

A Pulse Width Modulation (PWM) blokk egy hasznos blokk, amely számos alkalmazáshoz használható. A DCMP/PWM blokk PWM blokkként konfigurálható. A PWM blokk az FSM0 és az FSM1 segítségével szerezhető be. A PWM IN+ csap az FSM0-hoz, míg az IN-pin az FSM1-hez van csatlakoztatva. Az FSM0 és az FSM1 is 8 bites adatokat biztosít a PWM blokkhoz. A PWM időtartamát az FSM1 időszaka határozza meg. A PWM blokk működési ciklusát az FSM0 szabályozza.

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

A munkaciklus konfigurációjának két lehetősége van:

● 0-99,6%: A DC 0% és 99,6% között mozog, és IN+/256-ként kerül meghatározásra.

● 0,39-100%: Az egyenáram 0,39% és 100% között mozog, és (IN + + 1)/256-ként kerül meghatározásra.

6. lépés: GreenPAK tervezés a PWM alapú térhullám -megvalósításhoz

Az egyfázisú inverter megvalósításához különböző szabályozási módszerek használhatók. Az egyik ilyen szabályozási stratégia PWM-alapú négyszöghullámot tartalmaz az egyfázisú inverterhez.

A GreenPAK CMIC -t periodikus kapcsolási minták előállítására használják annak érdekében, hogy a DC -t kényelmesen AC -vé alakítsák. Az egyenáramú feszültségeket az akkumulátor táplálja, és az inverter által kapott kimenet felhasználható a váltakozó terhelés ellátására. Ezen alkalmazás alkalmazásában az AC frekvenciát 50 Hz -re állították be, amely a világ számos részén általános háztartási áramfrekvencia. Ennek megfelelően az időtartam 20 ms.

A kapcsolási mintát, amelyet a GreenPAK -nak generálnia kell az SW1 és az SW4 számára, a 3. ábra mutatja.

Az SW2 és SW3 kapcsolási mintáját a 4. ábra mutatja

A fenti kapcsolási minták kényelmesen előállíthatók egy PWM blokk használatával. A PWM időtartamát az FSM1 időszaka határozza meg. Az FSM1 időtartamát 20 ms -ra kell beállítani, ami 50 Hz -es frekvenciának felel meg. A PWM blokk működési ciklusát az FSM0 -ból származó adatok vezérlik. Az 50% -os munkaciklus létrehozásához az FSM0 számláló értéke 128.

A megfelelő GreenPAK kialakítás az 5. ábrán látható.

7. lépés: A négyzethullám -szabályozási stratégia hátránya

A négyszöghullám -szabályozási stratégia használata az invertert nagy mennyiségű harmonikus előállítására készteti. Az alapfrekvencián kívül a négyzethullámú inverterek páratlan frekvenciájú komponensekkel rendelkeznek. Ezek a felharmonikusok a gép fluxusának telítettségét okozzák, ezáltal a gép gyenge teljesítményéhez vezetnek, néha a hardvert is károsítják. Ezért az ilyen típusú inverterek által előállított THD nagyon nagy. Ennek a problémának a kiküszöbölésére egy másik, kváziszögű hullámként ismert vezérlési stratégia alkalmazható az inverter által előállított felharmonikusok számának jelentős csökkentésére.

8. lépés: GreenPAK tervezés a PWM alapú kvázi négyzethullámú megvalósításhoz

A Kvázi-négyzethullám-vezérlési stratégiában nulla kimeneti feszültséget vezetnek be, amely jelentősen csökkentheti a hagyományos négyzethullám-alakban lévő harmonikusokat. A kvázi négyzethullámú inverter használatának fő előnyei a következők:

● Az alapvető komponens amplitúdója szabályozható (az α vezérlésével)

● Bizonyos harmonikus tartalmak kiküszöbölhetők (az α vezérlésével is)

Az alapvető komponens amplitúdóját az α értékének szabályozásával lehet szabályozni, amint azt az (1) képlet mutatja.

Az n -ik felharmonikus kiküszöbölhető, ha amplitúdója nulla. Például a harmadik felharmonikus amplitúdója (n = 3) nulla, ha α = 30 ° (2 képlet).

A GreenPAK Design a Quasi-Square Wave vezérlési stratégia megvalósításához a 9. ábrán látható.

A PWM blokkot négyszög hullámforma előállítására használják 50 % -os teljesítményciklus mellett. A nulla kimeneti feszültséget úgy vezetik be, hogy késleltetik a Pin-15 kimeneten megjelenő feszültséget. A P-DLY1 mondat úgy van konfigurálva, hogy érzékeli a hullámforma emelkedő szélét. A P-DLY1 rendszeresen észleli az emelkedő széleket minden periódus után, és elindítja a DLY-3 blokkot, amely 2 ms késleltetést okoz, mielőtt a VDD-t egy D-flip flopon átütemezi, hogy lehetővé tegye a Pin-15 kimenetet.

A 15-ös tű az SW1 és az SW4 bekapcsolását okozhatja. Amikor ez megtörténik, pozitív feszültség jelenik meg a terhelésen.

A P-DLY1 emelkedőél érzékelő mechanizmusa aktiválja a DLY-7 blokkot is, amely 8 ms után visszaállítja a D-flip flopot, és 0 V jelenik meg a kimeneten.

A DLY-8 és a DLY-9 szintén ugyanazon emelkedő élről indul. A DLY-8 10 ms késleltetést generál, és újra aktiválja a DLY-3-at, amely 2 ms elteltével a DFF-et fogja figyelni, és logikai csúcsot okoz a két ÉS kapun.

Ezen a ponton a PWM mondat Out+ értéke 0 lesz, mivel a blokk működési ciklusát 50 %-ra állították be. Kimenet jelenik meg a 16-os érintkezőn, és az SW2 és az SW3 bekapcsol, váltakozó feszültséget produkálva a terhelésen. 18 ms elteltével a DLY-9 alaphelyzetbe állítja a DFF-et és 0V jelenik meg a 16-os tűn, és az időszakos ciklus továbbra is váltóáramú jelet bocsát ki.

A különböző GreenPAK blokkok konfigurációját a 10-14.

9. lépés: Eredmények

12 V egyenáramú feszültséget szolgáltat az akkumulátor az inverterhez. Az inverter ezt a feszültséget váltakozóáramú hullámformává alakítja. A frekvenciaváltó kimenete egy lépcsőzetes transzformátorba kerül, amely 12 V-os feszültséget 220 V-ra alakítja, amely felhasználható a váltakozó áramú terhelések meghajtására.

Következtetés

Ebben az utasításban egyfázisú invertert valósítottunk meg, négyzethullámú és kvázi négyszöghullámú vezérlési stratégiákat használva GreenPAK és CMIC használatával. A GreenPAK CMIC-k kényelmesen helyettesíthetik a mikrovezérlőket és az analóg áramköröket, amelyeket hagyományosan egyfázisú inverterek megvalósítására használnak. Ezenkívül a GreenPAK CMIC -ek potenciállal rendelkeznek a háromfázisú inverterek tervezésében.