Krug upravljačkog programa vrata za trofazni pretvarač: 9 koraka

2025 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2025-01-23 14:37

Ovaj projekt je u osnovi upravljački krug za opremu zvanu SemiTeach koju smo nedavno kupili za naše odjeljenje. Prikazuje se slika uređaja.

Spajanje ovog upravljačkog sklopa na 6 MOSFET -ova generira tri izmjenična napona pomjerena za 120 stepeni. Domet je 600 V za uređaj SemiTeach. Uređaj takođe ima ugrađene izlazne terminale za greške koji daju nisko stanje kada se otkrije greška u bilo kojoj od tri faze

Pretvarači se obično koriste u elektroenergetici za pretvaranje istosmjernog napona mnogih generacija u izmjenične napone za učinkovit prijenos i distribuciju. Osim toga, oni se također koriste za izvlačenje energije iz neprekidne serije napajanja (UPS). Pretvaračima je potrebno upravljačko kolo kapije za pogon prekidača Power Electronics koji se koriste u krugu za pretvaranje. Postoji mnogo vrsta signala vrata koji se mogu implementirati. U sljedećem izvještaju govori se o dizajnu i implementaciji upravljačkog kruga kapije za trofazni pretvarač koji koristi provodljivost od 180 stupnjeva. Ovaj se izvještaj fokusira na dizajn kola upravljačkog sklopa u koji su zapisani cjeloviti detalji dizajna. Nadalje, ovaj projekt također obuhvaća zaštitu mikrokontrolera i kruga u uvjetima greške. Izlaz kola je 6 PWM -ova za 3 kraka trofaznog pretvarača.

Korak 1: Pregled literature

Mnoge aplikacije u elektroenergetici zahtijevaju pretvaranje istosmjernog napona u izmjenični napon, poput spajanja solarnih panela na nacionalnu mrežu ili za napajanje izmjeničnih uređaja. Ova pretvorba istosmjernog u izmjenični napon postiže se pomoću pretvarača. Ovisno o vrsti napajanja, postoje dvije vrste pretvarača: jednofazni pretvarač i trofazni pretvarač. Jednofazni pretvarač uzima istosmjerni napon kao ulaz i pretvara ga u jednofazni izmjenični napon, dok trofazni pretvarač pretvara istosmjerni napon u trofazni izmjenični napon.

Slika 1.1: Trofazni pretvarač

Trofazni pretvarač koristi 6 tranzistorskih prekidača kao što je prikazano gore, koji se pokreću PWM signalima pomoću upravljačkih krugova vrata.

Signali usmjeravanja pretvarača trebaju imati faznu razliku od 120 stupnjeva jedan prema drugom kako bi postigli trofazni uravnoteženi izlaz. Za pokretanje ovog kola mogu se primijeniti dvije vrste upravljačkih signala

• 180 stepeni provodljivosti

• provodljivost od 120 stepeni

Način provođenja od 180 stepeni

U ovom načinu rada svaki tranzistor je uključen za 180 stupnjeva. U svakom trenutku tri tranzistora ostaju uključena, po jedan tranzistor u svakoj grani. U jednom ciklusu postoji šest načina rada, a svaki način rada radi 60 stupnjeva ciklusa. Signali rešetke se međusobno pomiču faznom razlikom od 60 stepeni kako bi se dobilo trofazno uravnoteženo napajanje.

Slika 1.2: provodljivost od 180 stepeni

Način provođenja od 120 stepeni

U ovom načinu rada svaki tranzistor je uključen za 120 stupnjeva. U svakom trenutku, samo dva tranzistora provode. Treba napomenuti da bi u svakom trenutku u svakoj grani trebao biti uključen samo jedan tranzistor. Trebalo bi postojati fazna razlika od 60 stepeni između PWM signala kako bi se dobio uravnotežen trofazni AC izlaz.

Slika 1.3: Vodljivost od 120 stepeni

Kontrola mrtvog vremena

Jedna vrlo važna mjera opreza koju treba poduzeti je da oba tranzistora na jednoj nozi ne smiju biti uključena u isto vrijeme jer će u suprotnom doći do kratkog spoja istosmjernog izvora i oštećenja kola. Stoga je vrlo bitno dodati vrlo kratak vremenski interval između isključivanja jednog tranzistora i uključivanja drugog tranzistora.

Korak 2: Blok dijagram

Korak 3: Komponente

U ovom odjeljku će biti predstavljeni i analizirani detalji o dizajnu.

Lista komponenti

• Optokapler 4n35

• IC upravljački program IR2110

• Tranzistor 2N3904

• Dioda (UF4007)

• Zener diode

• Relej 5V

• I Vrata 7408

• ATiny85

Optokapler

Optički sprežnik 4n35 korišten je za optičku izolaciju mikrokontrolera od ostatka kola. Odabrani otpor temelji se na formuli:

Otpor = LedVoltage/CurrentRating

Otpor = 1,35 V/13,5 mA

Otpor = 100 ohma

Izlazni otpor koji djeluje kao otpor prema dolje je 10 k ohma za pravilan razvoj napona na njemu.

IR 2110

To je IC upravljačka kapija koja se obično koristi za upravljanje MOSFET -ovima. Radi se o 500 V visokoj i niskoj strani upravljačkog sklopa sa tipičnim izvorom od 2,5 A i odvodnim strujama od 2,5 A u 14 olovnoj IC ambalaži.

Bootstrap kondenzator

Najvažnija komponenta upravljačkog sklopa je bootstrap kondenzator. Bootstrap kondenzator mora biti u stanju opskrbiti ovo punjenje i zadržati svoj puni napon, u protivnom će doći do značajne količine valovitosti na Vbs naponu, koja bi mogla pasti ispod blokade podnapona Vbsuv, i uzrokovati prestanak rada HO izlaza. Stoga naboj u Cbs kondenzatoru mora biti najmanje dvostruko veći od gornje vrijednosti. Minimalna vrijednost kondenzatora može se izračunati iz donje jednadžbe.

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

Where as

Vf = Napredni pad napona na početnoj diodi

VLS = Pad napona preko FET -a na niskoj strani (ili opterećenja za vozača na visokoj strani)

VMin = Minimalni napon između VB i VS

Qg = Napon kapije visokih bočnih FET -a

F = Učestalost rada

Icbs (curenje) = Struja curenja kondenzatora pri pokretanju

Qls = Naknada za promjenu nivoa potrebna po ciklusu

Odabrali smo vrijednost 47uF.

Tranzistor 2N3904

2N3904 je uobičajeni NPN bipolarni tranzistor koji se koristi za općenite aplikacije pojačavanja ili prebacivanja male snage. Može podnijeti struju od 200 mA (apsolutni maksimum) i frekvencije do 100 MHz kada se koristi kao pojačalo.

Dioda (UF4007)

Poluvodič I tipa s visokim otporom koristi se za osiguravanje značajno manjeg kapaciteta diode (Ct). Kao rezultat toga, PIN diode djeluju kao promjenjivi otpornik s prednaponom prema naprijed i ponašaju se kao kondenzator s obrnutim pomakom. Karakteristike visoke frekvencije (mali kapacitet osigurava minimalne efekte signalnih vodova) čine ih pogodnima za upotrebu kao promjenjivi otpornički elementi u raznim aplikacijama, uključujući prigušivače, visokofrekventno prebacivanje signala (tj. Mobilne telefone koji zahtijevaju antenu) i AGC krugove.

Zener dioda

Zener dioda je posebna vrsta diode koja, za razliku od normalne, dopušta protok struje ne samo sa svoje anode na katodu, već i u obrnutom smjeru, kada se dosegne Zener napon. Koristi se kao regulator napona. Zener diode imaju visoko dopiran p-n spoj. Normalne diode će se također pokvariti obrnutim naponom, ali napon i oštrina koljena nisu tako dobro definirani kao za Zener diode. Također normalne diode nisu dizajnirane za rad u području sloma, ali Zener diode mogu pouzdano raditi u tom području.

Relej

Releji su prekidači koji otvaraju i zatvaraju krugove elektromehanički ili elektronički. Releji upravljaju jednim električnim krugom otvaranjem i zatvaranjem kontakata u drugom krugu. Kada je kontakt releja normalno otvoren (NO), postoji kontakt ako relej nije pod naponom. Kada je kontakt releja normalno zatvoren (NC), postoji zatvoren kontakt kada relej nije pod naponom. U oba slučaja, primjenom električne struje na kontakte promijenit će se njihovo stanje

I KAPIJA 7408

Logic AND Gate je vrsta digitalnih logičkih vrata čiji izlaz ide VISOKO do logičkog nivoa 1 kada su svi ulazi visoki

ATiny85

To je mikročip male snage, 8-bitni AVR RISC mikrokontroler koji kombinira 8KB ISP bljeskalicu, 512B EEPROM, 512-bajtni SRAM, 6 I/O linija opće namjene, 32 radna registra opće namjene, jedan 8-bitni mjerač vremena/brojač s načinima usporedbe, jedan 8-bitni mjerač vremena/brojač velike brzine, USI, interni i eksterni prekidi, 4-kanalni 10-bitni A/D pretvarač.

Korak 4: Objašnjenje rada i kola

U ovom odjeljku rad kola će biti detaljno objašnjen.

PWM generacija

PWM je generiran iz STM mikrokontrolera. TIM3, TIM4 i TIM5 su korišteni za generiranje tri PWM -a od 50 posto radnog ciklusa. Fazni pomak od 60 stupnjeva ugrađen je između tri PWM -a pomoću vremenskog kašnjenja. Za PWM signal od 50 Hz, za izračunavanje kašnjenja korištena je sljedeća metoda

kašnjenje = Vremenski period ∗ 60/360

kašnjenje = 20 ms ∗ 60/360

kašnjenje = 3,3ms

Izolacija mikrokontrolera pomoću Optocouplera

Izolacija između mikrokontrolera i ostatka kola izvedena je pomoću optičkog spregača 4n35. Izolacijski napon 4n35 je oko 5000 V. Koristi se za zaštitu mikrokontrolera od obrnutih struja. Kako mikrokontroler ne može podnijeti negativan napon, stoga se za zaštitu mikrokontrolera koristi optokapler.

Sklop upravljačkog sklopa vrata IR2110 korišten je za osiguravanje prebacivanja PWM -ova na MOSFET -ove. PWM -ovi iz mikrokontrolera su osigurani na ulazu IC -a. Kako IR2110 nemaju ugrađenu NOT Gate, stoga se BJT koristi kao pretvarač za pin Lin. Zatim daje komplementarne PWM -ove MOSFET -ovima koji se pokreću

Detekcija greške

Modul SemiTeach ima 3 pina za greške koji su obično VISOKI na 15 V. Kad god postoji greška u krugu, jedan od pinova prelazi na NISKI nivo. Radi zaštite komponenata kola, krug se mora isključiti tokom greške. To je postignuto pomoću AND Gate -a, ATiny85 mikrokontrolera i 5 V releja. Upotreba AND Gate -a

Ulaz na vrata I su 3 pina greške koji su u visokom stanju u normalnom stanju, tako da je izlaz AND kapije u visokim uvjetima visok. Čim dođe do greške, jedan pinovi idu na 0 V pa otuda izlaz na vratima AND ide NISKO. Ovo se može koristiti za provjeru postoji li greška u krugu ili ne. Vcc do vrata AND se osigurava putem Zener diode.

Rezanje Vcc preko ATiny85

Izlaz AND Gate -a se šalje mikrokontroleru ATiny85 koji generiše prekid čim dođe do greške. Ovo dalje pokreće relej koji isključuje Vcc svih komponenti osim ATiny85.

Korak 5: Simulacija

Za simulaciju smo koristili PWM -ove iz generatora funkcija u Proteusu, a ne u STMf401 modelu jer nije dostupan na Proteusu. Opto-spojnicu 4n35 koristili smo za izolaciju između mikrokontrolera i ostatka kola. IR2103 se koristi u simulacijama kao pojačalo struje koje nam daje komplementarne PWM -ove.

Shematski dijagram Šematski dijagram je dat na sljedeći način:

High Side OutputOvaj izlaz je između HO i Vs. Sljedeća slika prikazuje izlaz tri visoko -strana PWM -a.

Low Side OutputOvaj izlaz je između LO i COM. Sljedeća slika prikazuje izlaz tri visoko -strana PWM -a.

Korak 6: Shema i raspored PCB -a

Prikazan je shematski i PCB izgled kreiran na Proteusu

Korak 7: Rezultati hardvera

Komplementarne PWM

Sljedeća slika prikazuje izlaz jednog od IR2110 koji je komplementaran

PWM faze A i B

Faze A i B su fazno pomaknute za 60 stepeni. To je prikazano na slici

PWM faze A i C

Faze A i C su -60 stupnjeva fazno pomaknute. To je prikazano na slici

Korak 8: Kodiranje

Kôd je razvijen u Atollic TrueStudio. Da biste instalirali Atollic, možete pogledati moje prethodne upute ili preuzeti na mreži.

Kompletan projekat je dodat.

Korak 9: Hvala

Slijedeći svoju tradiciju, želio bih se zahvaliti članovima moje grupe koji su mi pomogli u dovršenju ovog sjajnog projekta.

Nadam se da će vam ovo uputstvo pomoći.

Ovo sam ja odjavljivanje:)

Srdačan pozdrav

Tahir Ul Haq

EE, UET LHR Pakistan