Cum să proiectați și să implementați un invertor monofazat: 9 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:42

Acest Instructable explorează utilizarea GreenPAK ™ CMIC-urilor Dialog în aplicațiile electronice de putere și va demonstra implementarea unui invertor monofazat utilizând diverse metodologii de control. Se utilizează diferiți parametri pentru a determina calitatea invertorului monofazat. Un parametru important este Distorsiunea armonică totală (THD). THD este o măsurare a distorsiunii armonice într-un semnal și este definită ca raportul dintre suma puterilor tuturor componentelor armonice și puterea frecvenței fundamentale.

Mai jos am descris pașii necesari pentru a înțelege modul în care soluția a fost programată pentru a crea invertorul monofazat. Cu toate acestea, dacă doriți doar să obțineți rezultatul programării, descărcați software-ul GreenPAK pentru a vizualiza fișierul de proiectare GreenPAK deja finalizat. Conectați kitul de dezvoltare GreenPAK la computer și apăsați programul pentru a crea invertorul monofazat.

Pasul 1: invertor monofazat

Un invertor de putere sau un invertor este un dispozitiv electronic sau circuite care schimbă curentul continuu (DC) în curent alternativ (AC). În funcție de numărul de faze ale ieșirii de curent alternativ, există mai multe tipuri de invertoare.

● Invertoare monofazate

● Invertoare trifazate

DC este fluxul unidirecțional al sarcinii electrice. Dacă se aplică o tensiune constantă pe un circuit pur rezistiv, rezultă un curent constant. Comparativ, cu curent alternativ, fluxul curentului electric inversează periodic polaritatea. Cea mai tipică formă de undă AC este o undă sinusoidală, dar poate fi și o undă triunghiulară sau pătrată. Pentru a transfera energie electrică cu diferite profiluri de curent, sunt necesare dispozitive speciale. Dispozitivele care convertesc curent alternativ în curent continuu sunt cunoscute sub numele de redresoare, iar dispozitivele care convertesc curent alternativ în curent alternativ sunt cunoscute ca invertoare.

Pasul 2: Topologii ale invertorului monofazat

Există două topologii principale ale invertoarelor monofazate; topologii pe jumătate de pod și pe punte completă. Această notă de aplicație se concentrează asupra topologiei punte completă, deoarece oferă o tensiune de ieșire dublă comparativ cu topologia jumătății punții.

Pasul 3: Topologie cu punte completă

Într-o topologie full-bridge sunt necesare 4 comutatoare, deoarece tensiunea de ieșire alternativă este obținută prin diferența dintre două ramuri ale celulelor de comutare. Tensiunea de ieșire este obținută prin pornirea și oprirea inteligentă a tranzistoarelor în anumite momente de timp. Există patru stări diferite, în funcție de care comutatoare sunt închise. Tabelul de mai jos rezumă stările și tensiunea de ieșire pe baza cărora sunt închise comutatoarele.

Pentru a maximiza tensiunea de ieșire, componenta fundamentală a tensiunii de intrare pe fiecare ramură trebuie să fie defazată la 180º. Semiconductorii fiecărei ramuri sunt complementari în performanță, adică atunci când unul îl conduce pe celălalt este întrerupt și invers. Această topologie este cea mai utilizată pentru invertoare. Diagrama din Figura 1 prezintă circuitul unei topologii full-bridge pentru un invertor monofazat.

Pasul 4: tranzistor bipolar cu poartă izolată

Tranzistorul bipolar cu poartă izolată (IGBT) este ca un MOSFET cu adăugarea unui al treilea PNjunction. Acest lucru permite controlul bazat pe tensiune, ca un MOSFET, dar cu caracteristici de ieșire precum un BJT în ceea ce privește sarcinile mari și tensiunea de saturație scăzută.

Pot fi observate patru regiuni principale asupra comportamentului său static.

● Regiunea Avalanche

● Regiunea de saturație

● Zona de tăiere

● Regiune activă

Regiunea de avalanșă este zona în care se aplică o tensiune sub tensiunea de avarie, rezultând distrugerea IGBT. Zona de tăiere include valori de la tensiunea de avarie până la tensiunea de prag, în care IGBT nu conduce. În regiunea de saturație, IGBT se comportă ca o sursă de tensiune dependentă și o rezistență de serie. Cu variații reduse de tensiune, se poate realiza o amplificare ridicată a curentului. Această zonă este cea mai de dorit pentru operare. Dacă tensiunea este mărită, IGBT intră în regiunea activă, iar curentul rămâne constant. Există o tensiune maximă aplicată pentru IGBT pentru a se asigura că nu va intra în regiunea avalanșei. Acesta este unul dintre cele mai utilizate semiconductoare în electronica de putere, deoarece poate suporta o gamă largă de tensiuni de la câțiva volți la kV și puteri între kW și MW.

Aceste tranzistoare bipolare cu poartă izolată acționează ca dispozitive de comutare pentru topologia invertorului monofazat cu punte completă.

Pasul 5: Blocul de modulare a lățimii impulsurilor în GreenPAK

Blocul Modulation Width Modulation (PWM) este un bloc util care poate fi utilizat pentru o gamă largă de aplicații. Blocul DCMP / PWM poate fi configurat ca bloc PWM. Blocul PWM poate fi obținut prin FSM0 și FSM1. Pinul PWM IN + este conectat la FSM0, în timp ce pinul IN este conectat la FSM1. Atât FSM0, cât și FSM1 furnizează date pe 8 biți PWM Block. Perioada de timp PWM este definită de perioada de timp a FSM1. Ciclul de funcționare pentru blocul PWM este controlat de FSM0.

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

Există două opțiuni pentru configurarea ciclului de funcționare:

● 0-99,6%: DC variază de la 0% la 99,6% și se determină ca IN + / 256.

● 0,39-100%: DC variază de la 0,39% la 100% și se determină ca (IN + + 1) / 256.

Pasul 6: Proiectare GreenPAK pentru implementarea PWM bazată pe unde pătrate

Există diferite metodologii de control care pot fi utilizate pentru a implementa un invertor monofazat. O astfel de strategie de control include o undă pătrată bazată pe PWM pentru invertorul monofazat.

Un GreenPAK CMIC este utilizat pentru a genera modele de comutare periodică, pentru a converti în mod convenabil DC în curent alternativ. Tensiunile de curent continuu sunt alimentate de la baterie, iar ieșirea obținută de la invertor poate fi utilizată pentru alimentarea sarcinii de curent alternativ. În sensul acestei aplicații, rețineți că frecvența de curent alternativ a fost setată la 50Hz, o frecvență comună de alimentare de uz casnic în multe părți ale lumii. În mod corespunzător, perioada este de 20 ms.

Modelul de comutare care trebuie generat de GreenPAK pentru SW1 și SW4 este prezentat în Figura 3.

Modelul de comutare pentru SW2 și SW3 este prezentat în Figura 4

Modelele de comutare de mai sus pot fi produse convenabil folosind un bloc PWM. Perioada de timp PWM este setată de perioada de timp a FSM1. Perioada de timp pentru FSM1 trebuie setată la 20 ms corespunzătoare frecvenței 50Hz. Ciclul de funcționare pentru blocul PWM este controlat de datele provenite din FSM0. Pentru a genera ciclul de funcționare de 50%, valoarea contorului FSM0 este setată să fie 128.

Proiectarea GreenPAK corespunzătoare este prezentată în Figura 5.

Pasul 7: Dezavantajul strategiei de control al valurilor pătrate

Utilizarea strategiei de control al undei pătrate determină invertorul să producă o cantitate mare de armonici. În afară de frecvența fundamentală, invertoarele cu undă pătrată au componente de frecvență impare. Aceste armonici determină saturarea fluxului mașinii, ducând astfel la performanțe slabe ale mașinii, uneori chiar deteriorând hardware-ul. Prin urmare, THD produs de aceste tipuri de invertoare este foarte mare. Pentru a depăși această problemă, o altă strategie de control cunoscută sub numele de Quasi-Square Wave poate fi utilizată pentru a reduce semnificativ cantitatea de armonici produse de invertor.

Pasul 8: Proiectare GreenPAK pentru implementare bazată pe PWM cu unități aproape pătrate

În strategia de control al undelor aproape pătrate, se introduce o tensiune de ieșire zero, care poate reduce semnificativ armonicele prezente în forma de undă pătrată convențională. Avantajele majore ale utilizării unui invertor de undă aproape pătrat includ:

● Amplitudinea componentei fundamentale poate fi controlată (controlând α)

● Anumite conținuturi armonice pot fi eliminate (de asemenea, controlând α)

Amplitudinea componentei fundamentale poate fi controlată prin controlul valorii lui α așa cum se arată în Formula 1.

Armonica a n-a poate fi eliminată dacă amplitudinea sa este zero. De exemplu, amplitudinea celei de-a treia armonici (n = 3) este zero atunci când α = 30 ° (Formula 2).

Proiectul GreenPAK pentru implementarea strategiei de control Quasi-Square Wave este prezentat în Figura 9.

Blocul PWM este utilizat pentru a genera o formă de undă pătrată cu un ciclu de funcționare de 50%. Tensiunea de ieșire zero este introdusă prin întârzierea tensiunii care apare pe ieșirea Pin-15. Blocul P-DLY1 este configurat pentru a detecta marginea ascendentă a formei de undă. P-DLY1 va detecta periodic marginea ascendentă după fiecare perioadă și va declanșa blocul DLY-3, care produce o întârziere de 2 ms înainte de a controla VDD pe un flip-flop D pentru a activa ieșirea Pin-15.

Pin-15 poate determina pornirea SW1 și SW4. Când se întâmplă acest lucru, o tensiune pozitivă va apărea peste sarcină.

Mecanismul de detectare a marginii ascendente P-DLY1 activează și blocul DLY-7, care după 8 ms resetează D-flip flop-ul și apare 0 V pe ieșire.

DLY-8 și DLY-9 sunt, de asemenea, declanșate de la aceeași margine ascendentă. DLY-8 produce o întârziere de 10 ms și declanșează din nou DLY-3, care, după 2 ms, va aprinde DFF provocând un nivel logic peste cele două porți ȘI.

În acest moment Out + din blocul PWM devine 0, deoarece ciclul de funcționare al blocului a fost configurat să fie de 50%. Out- va apărea pe pinul 16 provocând pornirea SW2 și SW3, producând o tensiune alternativă peste sarcină. După 18 ms, DLY-9 va reseta DFF și va apărea 0V pe Pin-16 și ciclul periodic continuă să emită un semnal de curent alternativ.

Configurația pentru diferite blocuri GreenPAK este prezentată în Figurile 10-14.

Pasul 9: Rezultate

Tensiunea de 12 V DC este furnizată de la baterie la invertor. Invertorul convertește această tensiune într-o formă de undă de curent alternativ. Ieșirea de la invertor este alimentată către un transformator intensiv care convertește tensiunea de 12 V c.a. în 220 V, care poate fi utilizată pentru a conduce sarcinile de curent alternativ.

Concluzie

În acest Instructable, am implementat un invertor monofazat utilizând strategii de control Square Wave și Quasi Square Wave folosind GreenPAK un CMIC. GreenPAK CMIC acționează ca un înlocuitor convenabil al microcontrolerelor și al circuitelor analogice care sunt utilizate în mod convențional pentru a implementa un invertor monofazat. Mai mult, CMP-urile GreenPAK au potențial în proiectarea invertoarelor trifazate.