Kako projektirati i implementirati jednofazni pretvarač: 9 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:33

Ovaj Instructable istražuje uporabu 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 kako biste vidjeli već dovršenu datoteku za dizajn GreenPAK. Priključite GreenPAK Development Kit na svoje računalo i hit 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 otpornički krug primijeni stalan napon, to rezultira konstantnom strujom. Usporedno, s izmjeničnom strujom protok električne struje povremeno mijenja obrnuti polaritet. Najtipičniji val izmjenične 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 AC u DC poznati su kao ispravljači, a uređaji koji pretvaraju DC u AC izmjenjivači.

Korak 2: Topologije jednofaznog pretvarača

Postoje dvije glavne topologije jednofaznih pretvarača; topologije polumosta i punog mosta. Ova se napomena o primjeni usredotočuje na topologiju punog mosta, budući da pruža dvostruki izlazni napon u usporedbi s topologijom 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 koji su prekidači zatvoreni. Donja tablica sažima stanja i izlazni napon na temelju kojih su sklopke zatvorene.

Da bi se maksimalno povećao izlazni napon, temeljna komponenta ulaznog napona na svakoj grani mora biti 180 ° izvan faze. Poluvodiči svake grane se međusobno nadopunjuju, što znači da kad jedan vodi drugi, odsječeni su i obrnuto. Ova se topologija najčešće koristi za pretvarače. Dijagram na slici 1 prikazuje sklop 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. To omogućuje upravljanje temeljeno na naponu, poput MOSFET-a, ali s izlaznim karakteristikama poput BJT-a u pogledu velikih opterećenja i niskog napona zasićenja.

Četiri glavne regije mogu se uočiti na njegovom statičkom ponašanju.

● Regija lavina

● Regija zasićenja

● Područje izrezivanja

● Aktivna regija

Područje lavine je područje gdje se primjenjuje napon ispod probojnog napona, što rezultira uništavanjem IGBT -a. Područje rezanja uključuje vrijednosti od napona proboja do napona praga, pri čemu IGBT ne provodi. U području zasićenja, IGBT se ponaša kao ovisni izvor napona i serijski otpor. S malim varijacijama 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 najveći 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 pretvarača s punim mostom.

Korak 5: Blok modulacije širine impulsa u GreenPAK -u

Blok pulsno -širinske modulacije (PWM) koristan je blok koji se može koristiti za širok raspon primjena. DCMP/PWM blok može se konfigurirati kao PWM blok. PWM blok može se 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. Vremensko razdoblje PWM definirano je vremenskim razdobljem 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 temeljenih 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 koristi se za generiranje periodičnih shema prebacivanja radi prikladnog pretvaranja istosmjernog u AC. Istosmjerni naponi napajaju se iz baterije, a izlaz dobiven iz pretvarača može se koristiti za napajanje izmjeničnog opterećenja. Za potrebe ove primjene napomena je AC frekvencija postavljena na 50Hz, uobičajenu frekvenciju napajanja u kućanstvu u mnogim dijelovima svijeta. Odgovarajuće, razdoblje 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. Vremensko razdoblje PWM -a određeno je vremenskim razdobljem FSM1. Vremensko razdoblje za FSM1 mora biti postavljeno na 20 ms koje odgovara frekvenciji od 50Hz. Radni ciklus za PWM blok kontrolira se podacima dobivenim 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. Pretvarači kvadratnog vala osim osnovne frekvencije imaju i neparne frekvencijske komponente. Ovi harmonici uzrokuju zasićenje fluksa stroja, što dovodi do loših performansi stroja, ponekad čak i do oštećenja hardvera. Stoga je THD koji proizvode ove vrste pretvarača vrlo velik. 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 temeljenih 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 temeljne komponente može se kontrolirati (kontroliranjem α)

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

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

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

GreenPAK-ov dizajn za provedbu strategije upravljanja kvazi-kvadratnim valom prikazan je na slici 9.

PWM blok koristi se za generiranje kvadratnog valnog oblika s 50 % radnim ciklusom. Nulti izlazni napon uvodi se odgađanjem napona koji se pojavljuje preko izlaza Pin-15. Blok P-DLY1 konfiguriran je za otkrivanje rastućeg ruba valnog oblika. P-DLY1 će povremeno detektirati rastući rub nakon svakog razdoblja i aktivirati blok DLY-3, 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 rastućeg ruba 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 također se pokreću s istog rastućeg ruba. DLY-8 proizvodi kašnjenje od 10 ms i ponovno pokreće DLY-3, koji će nakon 2 ms izjednačiti DFF uzrokujući logički visoki stupanj na dva vrata I.

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

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

Korak 9: Rezultati

12 V DC napon napaja se iz baterije u pretvarač. Pretvarač pretvara ovaj napon u AC valni oblik. Izlaz 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 Instructableu implementirali smo jednofazni pretvarač koristeći strategije upravljanja kvadratnim valom i kvazi kvadratnim valom koristeći GreenPAK a CMIC. GreenPAK CMIC-i 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.