Obwód sterownika bramki dla falownika trójfazowego: 9 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Ten projekt to w zasadzie obwód sterownika dla sprzętu o nazwie SemiTeach, który niedawno kupiliśmy dla naszego działu. Wyświetlany jest obraz urządzenia.

Podłączenie tego obwodu sterownika do 6 mosfetów generuje trzy napięcia przemienne o 120 stopni. Zasięg to 600 V dla urządzenia SemiTeach. Urządzenie posiada również wbudowane zaciski wyjściowe błędów, które podają stan niski po wykryciu błędu na którejkolwiek z trzech faz

Falowniki są powszechnie stosowane w przemyśle energetycznym do konwersji napięcia stałego wielu źródeł generacji na napięcia przemienne w celu wydajnej transmisji i dystrybucji. Co więcej, są one również wykorzystywane do pozyskiwania energii z zasilaczy UPS (Uninterruptable Power Series). Falowniki potrzebują obwodu sterownika bramki do sterowania przełącznikami Power Electronics używanymi w obwodzie do konwersji. Istnieje wiele rodzajów sygnałów bramki, które można wdrożyć. Poniższy raport omawia projekt i implementację obwodu sterownika bramki dla falownika trójfazowego wykorzystującego przewodzenie 180 stopni. Niniejszy raport koncentruje się na projekcie obwodu sterownika bramki, w którym zapisane są pełne szczegóły projektu. Co więcej, projekt ten obejmuje również ochronę mikrokontrolera i obwodu w warunkach błędu. Wyjście obwodu to 6 PWM dla 3 nóg falownika trójfazowego.

Krok 1: Przegląd literatury

Wiele zastosowań w energetyce wymaga konwersji napięcia stałego na napięcie przemienne, takie jak podłączenie paneli słonecznych do sieci krajowej lub zasilanie urządzeń prądu przemiennego. Ta konwersja prądu stałego na prąd przemienny jest osiągana za pomocą falowników. W zależności od rodzaju zasilania istnieją dwa typy falowników: falownik jednofazowy i falownik trójfazowy. Falownik jednofazowy pobiera napięcie prądu stałego jako wejście i przekształca je na jednofazowe napięcie przemienne, podczas gdy trójfazowy konwerter inwerterowy przekształca napięcie stałe w trójfazowe napięcie przemienne.

Rysunek 1.1: Falownik trójfazowy

Falownik trójfazowy wykorzystuje 6 przełączników tranzystorowych, jak pokazano powyżej, które są sterowane sygnałami PWM za pomocą obwodów sterownika bramki.

Sygnały bramkujące falownika powinny mieć różnicę faz 120 stopni względem siebie, aby uzyskać trójfazowe symetryczne wyjście. Do uruchomienia tego obwodu można zastosować dwa rodzaje sygnałów sterujących

• Przewodzenie 180 stopni

• Przewodzenie 120 stopni

Tryb przewodzenia 180 stopni

W tym trybie każdy tranzystor jest włączony na 180 stopni. W każdej chwili trzy tranzystory pozostają włączone, po jednym w każdej gałęzi. W jednym cyklu istnieje sześć trybów pracy, a każdy tryb działa dla 60 stopni cyklu. Sygnały bramkujące są odsunięte od siebie o różnicę faz 60 stopni, aby uzyskać symetryczne zasilanie trójfazowe.

Rysunek 1.2: Przewodzenie 180 stopni

Tryb przewodzenia 120 stopni

W tym trybie każdy tranzystor jest włączony na 120 stopni. W każdej chwili przewodzą tylko dwa tranzystory. Należy zauważyć, że w każdej chwili w każdej gałęzi powinien być włączony tylko jeden tranzystor. Powinna istnieć różnica fazowa 60 stopni między sygnałami PWM, aby uzyskać zbalansowane trójfazowe wyjście prądu przemiennego.

Rysunek 1.3: Przewodzenie 120 stopni

Kontrola czasu martwego

Jednym z bardzo ważnych środków ostrożności, które należy podjąć, jest to, że w jednej nodze oba tranzystory nie powinny być włączone w tym samym czasie, w przeciwnym razie źródło prądu stałego ulegnie zwarciu i obwód zostanie uszkodzony. Dlatego bardzo ważne jest dodanie bardzo krótkiego odstępu czasu między wyłączeniem jednego tranzystora a włączeniem drugiego.

Krok 2: Schemat blokowy

Krok 3: Komponenty

W tej sekcji zostaną przedstawione i przeanalizowane szczegóły dotyczące projektowania.

Lista komponentów

• Transoptor 4n35

• Układ scalony sterownika IR2110

• Tranzystor 2N3904

• Dioda (UF4007)

• Diody Zenera

• Przekaźnik 5V

• ORAZ bramka 7408

• ATiny85

Transoptor

Do optycznej izolacji mikrokontrolera od reszty układu zastosowano transoptor 4n35. Wybrany opór opiera się na wzorze:

Rezystancja = napięcie Led/prąd znamionowy

Rezystancja = 1,35V/13,5mA

Rezystancja = 100 omów

Rezystancja wyjściowa działająca jako rezystancja ściągania wynosi 10 kΩ dla prawidłowego rozwoju napięcia na nim.

IR 2110

Jest to układ scalony sterujący bramką, zwykle używany do napędzania tranzystorów MOSFET. Jest to układ scalony sterownika wysokiego i niskiego napięcia 500 V z typowymi prądami źródła 2,5 A i prądami upływu 2,5 A w 14-odprowadzeniowym układzie scalonym.

Kondensator Bootstrap

Najważniejszym elementem układu scalonego sterownika jest kondensator ładowania początkowego. Kondensator ładowania początkowego musi być w stanie dostarczyć ten ładunek i zachować jego pełne napięcie, w przeciwnym razie wystąpi znaczna ilość tętnień napięcia Vbs, które mogą spaść poniżej blokady podnapięciowej Vbsuv i spowodować, że wyjście HO przestanie działać. Dlatego ładunek kondensatora Cbs musi być co najmniej dwukrotnością powyższej wartości. Minimalną wartość kondensatora można obliczyć z poniższego równania.

C = 2[(2Qg + Iqbs/f + Qls + Icbs(przeciek)/f) / (Vcc−Vf −Vls−Vmin)]

Natomiast

Vf = Spadek napięcia przewodzenia na diodzie ładowania początkowego

VLS = Spadek napięcia na FET po stronie niskiej (lub obciążenie dla sterownika po stronie wysokiej)

Vmin= Minimalne napięcie między VB i VS

Qg = ładunek bramki wysokiej strony FET

F= Częstotliwość operacji

Icbs (wyciek) = Prąd upływu kondensatora ładowania początkowego

Qls = wymagana opłata za zmianę poziomu na cykl

Wybraliśmy wartość 47uF.

Tranzystor 2N3904

2N3904 jest powszechnym tranzystorem bipolarnym NPN używanym do ogólnych zastosowań wzmacniających lub przełączających małej mocy. Może obsługiwać prąd 200 mA (maksimum absolutne) i częstotliwości do 100 MHz, gdy jest używany jako wzmacniacz.

Dioda (UF4007)

Zastosowany półprzewodnik typu I o wysokiej rezystywności zapewnia znacznie niższą pojemność diody (Ct). W rezultacie diody PIN działają jak rezystor zmienny z polaryzacją w przód i zachowują się jak kondensator z polaryzacją wsteczną. Charakterystyki wysokiej częstotliwości (niska pojemność zapewnia minimalny wpływ linii sygnałowych) sprawiają, że nadają się one do stosowania jako elementy rezystora zmiennego w wielu różnych zastosowaniach, w tym tłumikach, przełączaniu sygnału wysokiej częstotliwości (tj. telefony komórkowe wymagające anteny) i obwodach AGC.

Dioda Zenera

Dioda Zenera jest szczególnym rodzajem diody, która w przeciwieństwie do zwykłej diody umożliwia przepływ prądu nie tylko od anody do katody, ale także w odwrotnym kierunku, po osiągnięciu napięcia Zenera. Służy jako regulator napięcia. Diody Zenera mają wysoce domieszkowane złącze p-n. Zwykłe diody również psują się przy napięciu wstecznym, ale napięcie i ostrość kolana nie są tak dobrze zdefiniowane, jak w przypadku diody Zenera. Również normalne diody nie są zaprojektowane do działania w obszarze awarii, ale diody Zenera mogą niezawodnie działać w tym regionie.

Przekaźnik

Przekaźniki to przełączniki, które otwierają i zamykają obwody elektromechanicznie lub elektronicznie. Przekaźniki sterują jednym obwodem elektrycznym poprzez otwieranie i zamykanie styków w innym obwodzie. Gdy styk przekaźnika jest normalnie otwarty (NO), styk jest otwarty, gdy przekaźnik nie jest zasilany. Gdy styk przekaźnika jest normalnie zamknięty (NC), styk jest zamknięty, gdy przekaźnik nie jest zasilany. W obu przypadkach doprowadzenie prądu elektrycznego do styków zmieni ich stan

I BRAMA 7408

Bramka logiczna AND jest rodzajem cyfrowej bramki logicznej, której wyjście osiąga WYSOKI poziom logiczny 1, gdy wszystkie jej wejścia są WYSOKIE

ATiny85

Jest to 8-bitowy mikrokontroler Microchip oparty na RISC firmy Microchip, łączący 8KB pamięci flash ISP, 512B EEPROM, 512-Byte SRAM, 6 linii I/O ogólnego przeznaczenia, 32 rejestry robocze ogólnego przeznaczenia, jeden 8-bitowy timer/licznik z trybami porównania, jednym 8-bitowym szybkim zegarem/licznikiem, USI, przerwaniami wewnętrznymi i zewnętrznymi, 4-kanałowym 10-bitowym konwerterem A/D.

Krok 4: Objaśnienie działania i obwodu

W tej sekcji zostanie szczegółowo wyjaśnione działanie układu.

Generacja PWM

PWM został wygenerowany z mikrokontrolera STM. TIM3, TIM4 i TIM5 zostały użyte do wygenerowania trzech PWM o 50-procentowym cyklu pracy. Przesunięcie fazowe o 60 stopni zostało wprowadzone między trzema PWM przy użyciu opóźnienia czasowego. Dla sygnału PWM 50 Hz do obliczenia opóźnienia zastosowano następującą metodę:

opóźnienie = Okres Czasu∗60/360

opóźnienie = 20ms∗60/360

opóźnienie = 3,3 ms

Izolacja mikrokontrolera za pomocą transoptora

Izolację pomiędzy mikrokontrolerem a resztą układu wykonano za pomocą transoptora 4n35. Napięcie izolacji 4n35 wynosi około 5000 V. Służy do ochrony mikrokontrolera przed prądami wstecznymi. Ponieważ mikrokontroler nie może przenosić napięcia ujemnego, dlatego do ochrony mikrokontrolera stosuje się transoptor.

Układ scalony sterownika Gate Driving CircuitIR2110 został użyty do przełączania PWM na tranzystory MOSFET. PWM z mikrokontrolera zostały dostarczone na wejściu układu scalonego. Ponieważ IR2110 nie mają wbudowanej bramki NOT, dlatego BJT jest używany jako falownik do pinu Lin. Następnie przekazuje uzupełniające PWM do tranzystorów MOSFET, które mają być napędzane

Wykrywanie błędów

Moduł SemiTeach posiada 3 piny błędu, które normalnie są WYSOKIE przy 15 V. Za każdym razem, gdy wystąpi błąd w obwodzie, jeden z pinów przechodzi do poziomu LOW. W celu ochrony elementów obwodu, obwód musi być odcięty w przypadku wystąpienia błędu. Zostało to osiągnięte przy użyciu bramki AND, mikrokontrolera ATiny85 i przekaźnika 5 V. Korzystanie z AND Gate

Wejście do bramki AND to 3 piny błędów, które w normalnych warunkach są w stanie WYSOKIM, więc wyjście bramki AND jest w stanie WYSOKIM w normalnych warunkach. Jak tylko pojawi się błąd, jeden pin przechodzi do 0 V i stąd wyjście bramki AND przechodzi w stan LOW. Można to wykorzystać do sprawdzenia, czy w obwodzie występuje błąd. Vcc do bramki AND jest dostarczane przez diodę Zenera.

Przecinanie Vcc przez ATiny85

Wyjście bramki AND jest podawane do mikrokontrolera ATiny85, który generuje przerwanie, gdy tylko wystąpi jakikolwiek błąd. To dalej steruje przekaźnikiem, który odcina Vcc wszystkich komponentów z wyjątkiem ATiny85.

Krok 5: Symulacja

Do symulacji użyliśmy PWM z generatora funkcji w modelu Proteus, a nie modelu STMf401, ponieważ nie jest on dostępny w Proteusie. Do izolacji pomiędzy mikrokontrolerem a resztą układu użyliśmy Opto-sprzęgacza 4n35. IR2103 jest wykorzystywany w symulacjach jako wzmacniacz prądu, który daje nam komplementarne PWM.

Schemat ideowy Schemat ideowy przedstawia się następująco:

High Side OutputTo wyjście jest pomiędzy HO i Vs. Poniższy rysunek przedstawia wyjście trzech PWM o wysokiej stronie.

Low Side OutputTo wyjście jest pomiędzy LO i COM. Poniższy rysunek przedstawia wyjście trzech PWM o wysokiej stronie.

Krok 6: Schemat i układ PCB

Pokazano schemat i układ PCB stworzony na Proteusie

Krok 7: Wyniki sprzętowe

Uzupełniające PWM

Poniższy rysunek przedstawia wyjście jednego z IR2110, który jest komplementarny

PWM fazy A i B

Fazy A i B są przesunięte w fazie o 60 stopni. Pokazano to na rysunku

PWM fazy A i C

Fazy A i C są przesunięte w fazie o -60 stopni. Pokazano to na rysunku

Krok 8: Kodowanie

Kod został opracowany w Atollic TrueStudio. Aby zainstalować Atollic, możesz przejrzeć moje poprzednie samouczki lub pobrać online.

Dodano kompletny projekt.

Krok 9: Dzięki

Zgodnie z moją tradycją chciałbym podziękować członkom mojej grupy, którzy pomogli mi w realizacji tego wspaniałego projektu.

Mam nadzieję, że ta instrukcja pomoże ci.

To ja się podpisuję:)

Z wyrazami szacunku

Tahir Ul Haq

EE, UET LHR Pakistan