Jak zaprojektować i wdrożyć falownik jednofazowy: 9 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:28

W tym instruktażu omówiono zastosowanie modułów CMIC GreenPAK™ firmy Dialog w zastosowaniach energoelektronicznych i zademonstrowano wdrożenie falownika jednofazowego przy użyciu różnych metod sterowania. Do określenia jakości falownika jednofazowego służą różne parametry. Ważnym parametrem jest Total Harmonic Distortion (THD). THD jest miarą zniekształcenia harmonicznego w sygnale i jest definiowany jako stosunek sumy mocy wszystkich składowych harmonicznych do mocy częstotliwości podstawowej.

Poniżej opisaliśmy kroki potrzebne do zrozumienia, w jaki sposób zostało zaprogramowane rozwiązanie, aby stworzyć falownik jednofazowy. Jeśli jednak chcesz tylko uzyskać wynik programowania, pobierz oprogramowanie GreenPAK, aby wyświetlić już ukończony plik projektu GreenPAK. Podłącz zestaw rozwojowy GreenPAK do komputera i naciśnij program, aby utworzyć falownik jednofazowy.

Krok 1: Falownik jednofazowy

Falownik lub falownik to urządzenie elektroniczne lub obwody, które zamieniają prąd stały (DC) na prąd przemienny (AC). W zależności od liczby faz na wyjściu AC, istnieje kilka typów falowników.

● Falowniki jednofazowe

● Falowniki trójfazowe

DC to jednokierunkowy przepływ ładunku elektrycznego. Jeśli stałe napięcie jest przyłożone do obwodu czysto rezystancyjnego, daje to stały prąd. Dla porównania, w przypadku prądu przemiennego, przepływ prądu elektrycznego okresowo zmienia biegunowość. Najbardziej typowym przebiegiem prądu przemiennego jest fala sinusoidalna, ale może to być również fala trójkątna lub prostokątna. Do przesyłania energii elektrycznej o różnych profilach prądowych potrzebne są specjalne urządzenia. Urządzenia konwertujące prąd przemienny na prąd stały są znane jako prostowniki, a urządzenia konwertujące prąd stały na prąd przemienny są znane jako falowniki.

Krok 2: Topologie falownika jednofazowego

Istnieją dwie główne topologie falowników jednofazowych; topologie półmostkowe i pełnomostkowe. Ta nota aplikacyjna koncentruje się na topologii pełnego mostka, ponieważ zapewnia ona dwukrotnie wyższe napięcie wyjściowe w porównaniu z topologią półmostkową.

Krok 3: Topologia pełnego mostka

W topologii pełnego mostka potrzebne są 4 przełączniki, ponieważ przemienne napięcie wyjściowe jest uzyskiwane z różnicy między dwiema gałęziami przełączających komórek. Napięcie wyjściowe uzyskuje się poprzez inteligentne włączanie i wyłączanie tranzystorów w określonych momentach czasowych. Istnieją cztery różne stany w zależności od tego, które przełączniki są zamknięte. Poniższa tabela podsumowuje stany i napięcie wyjściowe, w oparciu o które przełączniki są zamknięte.

Aby zmaksymalizować napięcie wyjściowe, podstawowa składowa napięcia wejściowego na każdej gałęzi musi być przesunięta w fazie o 180º. Półprzewodniki każdej gałęzi są komplementarne pod względem wydajności, co oznacza, że gdy jeden prowadzi, drugi jest odcięty i na odwrót. Ta topologia jest najczęściej stosowana w przypadku falowników. Schemat na rysunku 1 przedstawia obwód topologii pełnego mostka dla falownika jednofazowego.

Krok 4: Tranzystor bipolarny z izolowaną bramką

Tranzystor bipolarny z izolowaną bramką (IGBT) jest jak tranzystor MOSFET z dodatkiem trzeciego złącza PN. Pozwala to na sterowanie oparte na napięciu, jak MOSFET, ale z charakterystyką wyjściową jak BJT w odniesieniu do dużych obciążeń i niskiego napięcia nasycenia.

Na jego statycznym zachowaniu można zaobserwować cztery główne regiony.

● Region lawinowy

● Region nasycenia

● Obszar cięcia

● Region aktywny

Obszar lawinowy to obszar, w którym przykładane jest napięcie poniżej napięcia przebicia, co powoduje zniszczenie tranzystora IGBT. Obszar cięcia zawiera wartości od napięcia przebicia do napięcia progowego, w którym tranzystor IGBT nie przewodzi. W obszarze nasycenia tranzystor IGBT zachowuje się jak zależne źródło napięcia i rezystancja szeregowa. Przy niewielkich wahaniach napięcia można osiągnąć wysokie wzmocnienie prądu. Ten obszar jest najbardziej pożądany do działania. Jeśli napięcie jest zwiększone, IGBT wchodzi w obszar aktywny, a prąd pozostaje stały. Do tranzystora IGBT stosowane jest maksymalne napięcie, aby zapewnić, że nie wejdzie on w obszar lawinowy. Jest to jeden z najczęściej używanych półprzewodników w energoelektronice, ponieważ może obsługiwać szeroki zakres napięć od kilku woltów do kV oraz mocy od kW do MW.

Te tranzystory bipolarne z izolowaną bramką działają jako urządzenia przełączające dla jednofazowej topologii falownika z pełnym mostkiem.

Krok 5: Blok modulacji szerokości impulsu w GreenPAK

Blok modulacji szerokości impulsu (PWM) jest użytecznym blokiem, który można wykorzystać w szerokim zakresie zastosowań. Blok DCMP/PWM można skonfigurować jako blok PWM. Blok PWM może być pozyskiwany przez FSM0 i FSM1. Pin PWM IN+ jest podłączony do FSM0, natomiast pin IN- jest podłączony do FSM1. Zarówno FSM0, jak i FSM1 dostarcza 8-bitowe dane do bloku PWM. Okres czasu PWM jest określony przez okres czasu FSM1. Cykl pracy bloku PWM jest kontrolowany przez FSM0.

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

Istnieją dwie opcje konfiguracji cyklu pracy:

● 0-99,6%: DC waha się od 0% do 99,6% i jest określane jako IN+/256.

● 0,39-100%: DC waha się od 0,39% do 100% i jest określane jako (IN+ + 1)/256.

Krok 6: Projekt GreenPAK do implementacji fali prostokątnej opartej na PWM

Istnieją różne metodologie sterowania, które można wykorzystać do wdrożenia falownika jednofazowego. Jedna z takich strategii sterowania obejmuje falę prostokątną opartą na PWM dla falownika jednofazowego.

GreenPAK CMIC służy do generowania okresowych wzorców przełączania w celu wygodnej konwersji prądu stałego na prąd przemienny. Napięcia DC są zasilane z akumulatora, a wyjście uzyskane z falownika może być wykorzystane do zasilania obciążenia AC. Na potrzeby tego wniosku należy pamiętać, że częstotliwość prądu przemiennego została ustawiona na 50 Hz, co jest powszechną częstotliwością zasilania w gospodarstwach domowych w wielu częściach świata. Odpowiednio okres to 20ms.

Schemat przełączania, który musi zostać wygenerowany przez GreenPAK dla SW1 i SW4, pokazano na rysunku 3.

Schemat przełączania dla SW2 i SW3 pokazano na rysunku 4

Powyższe wzorce przełączania można wygodnie wytwarzać za pomocą bloku PWM. Okres czasu PWM jest ustawiany przez okres czasu FSM1. Okres czasu dla FSM1 musi być ustawiony na 20ms odpowiadający częstotliwości 50Hz. Cykl pracy bloku PWM jest kontrolowany przez dane pochodzące z FSM0. Aby wygenerować 50% współczynnik wypełnienia, wartość licznika FSM0 jest ustawiona na 128.

Odpowiedni projekt GreenPAK pokazano na rysunku 5.

Krok 7: Wada strategii sterowania falą prostokątną

Stosowanie strategii sterowania falą prostokątną powoduje, że falownik wytwarza dużą ilość harmonicznych. Oprócz częstotliwości podstawowej, falowniki o fali prostokątnej mają nieparzyste składowe częstotliwości. Te harmoniczne powodują nasycenie strumienia maszyny, co prowadzi do słabej wydajności maszyny, a czasem nawet do uszkodzenia sprzętu. Stąd THD wytwarzane przez tego typu falowniki jest bardzo duże. W celu przezwyciężenia tego problemu można zastosować inną strategię sterowania znaną jako quasi-prostokątna fala, aby znacznie zmniejszyć ilość harmonicznych wytwarzanych przez falownik.

Krok 8: Projekt GreenPAK dla implementacji opartej na PWM fali quasi-kwadratowej

W strategii sterowania przebiegiem quasi-kwadratowym wprowadzane jest zerowe napięcie wyjściowe, które może znacznie zredukować harmoniczne obecne w konwencjonalnym przebiegu prostokątnym. Główne zalety korzystania z falownika o fali quasi-kwadratowej obejmują:

● Można kontrolować amplitudę składowej podstawowej (kontrolując α)

● Niektóre zawartości harmoniczne można wyeliminować (również poprzez sterowanie α)

Amplitudę podstawowego składnika można kontrolować, kontrolując wartość α, jak pokazano na wzorze 1.

N-tą harmoniczną można wyeliminować, jeśli jej amplituda wynosi zero. Na przykład amplituda trzeciej harmonicznej (n=3) wynosi zero, gdy α = 30° (Wzór 2).

Projekt GreenPAK do wdrażania strategii sterowania quasi-prostokątną pokazano na rysunku 9.

Blok PWM służy do generowania przebiegu prostokątnego z 50% wypełnieniem. Zerowe napięcie wyjściowe jest wprowadzane przez opóźnienie pojawienia się napięcia na wyjściu Pin-15. Blok P-DLY1 jest skonfigurowany do wykrywania narastającego zbocza przebiegu. P-DLY1 będzie okresowo wykrywać zbocze narastające po każdym okresie i wyzwalać blok DLY-3, który powoduje opóźnienie o 2 ms przed taktowaniem VDD przez klapę D, aby włączyć wyjście Pin-15.

Pin-15 może spowodować włączenie SW1 i SW4. Gdy to nastąpi, na obciążeniu pojawi się napięcie dodatnie.

Mechanizm wykrywania zbocza narastającego P-DLY1 aktywuje również blok DLY-7, który po 8 ms resetuje klapę D-flip i na wyjściu pojawia się 0 V.

DLY-8 i DLY-9 są również wyzwalane z tej samej krawędzi narastającej. DLY-8 generuje opóźnienie 10 ms i ponownie wyzwala DLY-3, który po 2 ms taktuje DFF, powodując logiczny wysoki poziom na dwóch bramkach AND.

W tym momencie Out+ z bloku PWM staje się 0, ponieważ cykl pracy bloku został skonfigurowany na 50%. Out- pojawi się na styku 16, powodując włączenie SW2 i SW3, wytwarzając napięcie przemienne na obciążeniu. Po 18ms DLY-9 zresetuje DFF i na styku 16 pojawi się 0V, a cykl okresowy będzie kontynuował wysyłanie sygnału AC.

Konfigurację dla różnych bloków GreenPAK pokazano na rysunkach 10-14.

Krok 9: Wyniki

Napięcie 12 V DC jest dostarczane z akumulatora do falownika. Falownik przetwarza to napięcie na przebieg prądu przemiennego. Wyjście z falownika jest podawane do transformatora podwyższającego napięcie, który przekształca napięcie 12 V AC na 220 V, które można wykorzystać do zasilania obciążeń AC.

Wniosek

W tej instrukcji wdrożyliśmy falownik jednofazowy wykorzystujący strategie sterowania falą prostokątną i quasi prostokątną za pomocą GreenPAK a CMIC. CMIC GreenPAK działają jako wygodny zamiennik mikrokontrolerów i obwodów analogowych, które są konwencjonalnie używane do implementacji falownika jednofazowego. Co więcej, GreenPAK CMIC mają potencjał w projektowaniu falowników trójfazowych.