Kako projektirati i implementirati jednofazni pretvarač: 9 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:05

Ovaj Instructable istražuje upotrebu Dialog-ovih GreenPAK ™ CMIC-ova u aplikacijama energetske elektronike i pokazat će implementaciju jednofaznog pretvarača koristeći različite metodologije upravljanja. Za određivanje kvalitete jednofaznog pretvarača koriste se različiti parametri. Važan parametar je Total Harmonic Distortion (THD). THD je mjerenje harmonijskog izobličenja u signalu i definirano je kao omjer zbroja snaga svih harmonijskih komponenti prema snazi osnovne frekvencije.

U nastavku smo opisali korake potrebne za razumijevanje načina na koji je rješenje programirano za stvaranje jednofaznog pretvarača. Međutim, ako samo želite dobiti rezultat programiranja, preuzmite GreenPAK softver da biste vidjeli već završenu GreenPAK datoteku za dizajn. Priključite GreenPAK Development Kit na svoje računalo i pritisnite hitni program za stvaranje jednofaznog pretvarača.

Korak 1: Jednofazni pretvarač

Pretvarač snage ili pretvarač je elektronički uređaj ili sklop koji mijenja istosmjernu struju (istosmjernu) u izmjeničnu (izmjeničnu). Ovisno o broju faza AC izlaza, postoji nekoliko vrsta pretvarača.

● Jednofazni pretvarači

● Trofazni pretvarači

DC je jednosmjerni tok električnog naboja. Ako se na čisto otporničko kolo primijeni konstantan napon, to rezultira konstantnom strujom. Usporedno, kod naizmjenične struje protok električne struje periodično mijenja polaritet. Najtipičniji oblik naizmjenične struje je sinusni val, ali može biti i trokutasti ili kvadratni val. Za prijenos električne energije s različitim profilima struje potrebni su posebni uređaji. Uređaji koji pretvaraju izmjeničnu struju u istosmjernu struju poznati su kao ispravljači, a uređaji koji pretvaraju istosmjernu struju u izmjeničnu struju poznati su kao pretvarači.

Korak 2: Topologije jednofaznog pretvarača

Postoje dvije glavne topologije jednofaznih pretvarača; topologije polumosta i punog mosta. Ova napomena o aplikaciji usredotočuje se na topologiju punog mosta, budući da pruža dvostruki izlazni napon u odnosu na topologiju polumosta.

Korak 3: Topologija punog mosta

U topologiji punog mosta potrebna su 4 prekidača, jer se izmjenični izlazni napon dobiva razlikom između dvije grane sklopnih ćelija. Izlazni napon dobiva se inteligentnim uključivanjem i isključivanjem tranzistora u određenim trenucima. Postoje četiri različita stanja, ovisno o tome koja su sklopka zatvorena. Donja tablica sažima stanja i izlazni napon na temelju kojih su sklopke zatvorene.

Da bi se maksimalno povećao izlazni napon, osnovna komponenta ulaznog napona na svakoj grani mora biti 180º izvan faze. Poluvodiči svake grane su komplementarni po performansama, što znači da kada jedan vodi drugi prekida se i obrnuto. Ova se topologija najčešće koristi za pretvarače. Dijagram na slici 1 prikazuje krug topologije punog mosta za jednofazni pretvarač.

Korak 4: Bipolarni tranzistor s izoliranim vratima

Bipolarni tranzistor s izoliranim vratima (IGBT) je poput MOSFET -a s dodatkom trećeg PN -spoja. Ovo omogućava upravljanje zasnovano na naponu, poput MOSFET-a, ali sa izlaznim karakteristikama poput BJT-a u pogledu velikih opterećenja i niskog napona zasićenja.

Četiri glavne regije se mogu primijetiti na njegovom statičkom ponašanju.

● Region lavina

● Regija zasićenja

● Oblast sečenja

● Aktivna regija

Lavinsko područje je područje gdje se primjenjuje napon ispod probojnog napona, što rezultira uništavanjem IGBT -a. Površina rezanja uključuje vrijednosti od napona proboja do napona praga, pri čemu IGBT ne provodi. U području zasićenja, IGBT se ponaša kao zavisni izvor napona i serijski otpor. Uz male varijacije napona, može se postići veliko pojačanje struje. Ovo područje je najpoželjnije za rad. Ako se napon poveća, IGBT ulazi u aktivno područje, a struja ostaje konstantna. Za IGBT se primjenjuje maksimalni napon kako bi se osiguralo da neće ući u lavinsko područje. Ovo je jedan od najčešće korištenih poluvodiča u energetskoj elektronici, jer može podržati širok raspon napona od nekoliko volti do kV i snage između kW i MW.

Ovi bipolarni tranzistori s izoliranim vratima djeluju kao sklopni uređaji za jednofaznu topologiju punog mosta.

Korak 5: Blok modulacije širine impulsa u GreenPAK -u

Blok pulsno -širinske modulacije (PWM) je koristan blok koji se može koristiti za širok raspon primjena. DCMP/PWM blok može se konfigurirati kao PWM blok. PWM blok se može nabaviti putem FSM0 i FSM1. PWM IN+ pin je spojen na FSM0 dok je IN-pin spojen na FSM1. I FSM0 i FSM1 pružaju 8-bitne podatke PWM Bloku. Vremenski period PWM definiran je vremenskim periodom FSM1. Radni ciklus za PWM blok kontrolira FSM0.

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

Postoje dvije mogućnosti za konfiguraciju radnog ciklusa:

● 0-99,6%: DC se kreće od 0% do 99,6% i određuje se kao IN+/256.

● 0,39-100%: DC se kreće od 0,39% do 100% i određuje se kao (IN + + 1)/256.

Korak 6: GreenPAK dizajn za implementaciju kvadratnih valova zasnovanih na PWM -u

Postoje različite metodologije upravljanja koje se mogu koristiti za implementaciju jednofaznog pretvarača. Jedna takva strategija upravljanja uključuje kvadratni val temeljen na PWM-u za jednofazni pretvarač.

GreenPAK CMIC se koristi za generiranje periodičnih obrazaca prebacivanja radi prikladnog pretvaranja istosmjernog u AC. Istosmjerni naponi se napajaju iz baterije, a izlaz dobiven iz pretvarača može se koristiti za napajanje izmjeničnog opterećenja. Za potrebe ove aplikacije napomena je da je AC frekvencija postavljena na 50Hz, uobičajenu frekvenciju napajanja u domaćinstvu u mnogim dijelovima svijeta. Odgovarajući period je 20 ms.

Uzorak prebacivanja koji mora generirati GreenPAK za SW1 i SW4 prikazan je na slici 3.

Uzorak prebacivanja za SW2 i SW3 prikazan je na slici 4

Gore navedeni obrasci prebacivanja mogu se prikladno proizvesti pomoću PWM bloka. Vremenski period PWM -a postavljen je vremenskim periodom FSM1. Vremenski period za FSM1 mora biti postavljen na 20 ms koji odgovara frekvenciji od 50Hz. Radni ciklus za PWM blok kontrolira se podacima iz FSM0. Kako bi se generirao radni ciklus od 50%, vrijednost brojača FSM0 postavljena je na 128.

Odgovarajući GreenPAK dizajn prikazan je na slici 5.

Korak 7: Nedostatak strategije upravljanja kvadratnim valovima

Korištenje strategije upravljanja kvadratnim valovima uzrokuje da pretvarač proizvodi veliku količinu harmonika. Osim osnovne frekvencije, pretvarači kvadratnog vala imaju i neparne komponente frekvencije. Ovi harmonici uzrokuju zasićenje fluksa mašine, što dovodi do loših performansi mašine, ponekad čak i do oštećenja hardvera. Stoga je THD koji proizvode ove vrste pretvarača vrlo veliki. Kako bi se prevladao ovaj problem, može se upotrijebiti druga upravljačka strategija poznata kao kvazi-kvadratni val kako bi se značajno smanjila količina harmonika koje proizvodi pretvarač.

Korak 8: GreenPAK dizajn za implementaciju kvazi-kvadratnih valova zasnovanih na PWM-u

U strategiju upravljanja kvazi-kvadratnim valovima uveden je nulti izlazni napon koji može značajno smanjiti harmonike prisutne u konvencionalnom kvadratnom valnom obliku. Glavne prednosti korištenja pretvarača kvazi kvadratnih valova uključuju:

● Amplituda osnovne komponente može se kontrolirati (kontroliranjem α)

● Određeni harmonički sadržaji mogu se ukloniti (također kontrolom α)

Amplituda osnovne komponente može se kontrolirati kontroliranjem vrijednosti α kako je prikazano u Formuli 1.

N -ti harmonik se može ukloniti ako je njegova amplituda nula. Na primjer, amplituda trećeg harmonika (n = 3) je nula kada je α = 30 ° (Formula 2).

GreenPAK-ov dizajn za implementaciju strategije upravljanja kvazi-kvadratnim valovima prikazan je na slici 9.

PWM blok se koristi za generiranje kvadratnog valnog oblika sa 50 % radnog ciklusa. Nulti izlazni napon uvodi se odgađanjem napona koji se pojavljuje preko izlaza Pin-15. Blok P-DLY1 konfiguriran je za otkrivanje rastuće ivice valnog oblika. P-DLY1 će periodično detektovati rastuću ivicu nakon svakog perioda i aktivirati DLY-3 blok, koji proizvodi kašnjenje od 2 ms prije nego što VDD preskoči preko D-japanke kako bi omogućio izlaz Pin-15.

Pin-15 može uzrokovati uključivanje i SW1 i SW4. Kada se to dogodi, na opterećenju će se pojaviti pozitivan napon.

P-DLY1 mehanizam za otkrivanje rastuće ivice također aktivira blok DLY-7, koji nakon 8 ms resetira D-flip flop i 0 V se pojavljuje preko izlaza.

DLY-8 i DLY-9 takođe se pokreću sa iste rastuće ivice. DLY-8 proizvodi kašnjenje od 10 ms i ponovo pokreće DLY-3, koji će nakon 2 ms izmijeniti DFF izazivajući logički maksimum preko dva vrata I.

U ovom trenutku Out+ iz PWM bloka postaje 0, budući da je radni ciklus bloka konfiguriran na 50 %. Izlaz će se pojaviti na Pin-16 uzrokujući uključivanje SW2 i SW3, stvarajući naizmjenični napon na opterećenju. Nakon 18 ms DLY-9 će se resetirati DFF i 0V će se pojaviti na Pin-16 i periodični ciklus će nastaviti izlaz AC signala.

Konfiguracija za različite GreenPAK blokove prikazana je na slikama 10-14.

Korak 9: Rezultati

12 V DC napon se napaja iz baterije u pretvarač. Pretvarač pretvara ovaj napon u AC valni oblik. Izlaz iz pretvarača dovodi se do pojačanog transformatora koji pretvara 12 V izmjenični napon u 220 V koji se može koristiti za pogon izmjeničnih opterećenja.

Zaključak

U ovom Instructable-u smo implementirali jednofazni pretvarač koristeći strategije upravljanja kvadratnim i kvazi kvadratnim valovima koristeći GreenPAK a CMIC. GreenPAK CMIC-ovi djeluju kao prikladna zamjena za mikrokontrolere i analogna kola koja se konvencionalno koriste za implementaciju jednofaznog pretvarača. Nadalje, GreenPAK CMIC -ovi imaju potencijal u dizajnu trofaznih pretvarača.