Mrežni pretvarač: 10 koraka (sa slikama)

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

Ovo je mesnati projekt pa se zakopčajte!

Mrežni pretvarači omogućuju vam uključivanje napajanja u utičnicu što je izvrsna mogućnost. Interesantna su mi energetska elektronika i sustavi upravljanja uključeni u njihovo projektiranje pa sam izgradio vlastiti. Ovo izvješće dijeli ono što sam naučio i dokumentira kako sam radio. Zanimali bi me svi vaši komentari (osim onih o tome da se ne petljate s električnom energijom).

Svi su koncepti skalabilni, ali ova je postavka imala maksimalnu snagu od 40 vata prije nego što su induktori filtera počeli zasićivati. Izlazna struja bila je sinusna s THD <5%.

Pogledajte softver na mom GitHubu

Pribor

• Koristio sam razvojnu ploču STM32F407. Radi na 168MHz i ima 3 ugrađena ADC-a sposobna za 12-bitnu razlučivost pri preko 2,4MSPS (milijun uzoraka u sekundi) svaki. To je ludo!
• Koristio sam razvojnu ploču DRV8301. Ovdje se nalazi 60-voltni H-most zajedno s potrebnim upravljačkim programima vrata, trenutnim šantovima i pojačalima trenutnih šantova. Super lijepo!
• Koristio sam toroidni transformator 230-25v s 2 izlazne slavine. To je značilo da ne moram izravno proizvoditi mrežni napon, već bih umjesto toga mogao raditi s vršnim naponom od 40 volti. Mnogo sigurnije!
• Spojio sam opterećenje induktora i kondenzatora zajedno kako bih dobio vrijednosti L i C koje sam želio za filter.
• Osciloskop i diferencijalna sonda ključni su za ovakav projekt. Imam pikoskop

Korak 1: Što je mrežno napajanje?

Ono što dobivate na utičnici (u Velikoj Britaniji) je 50Hz 230v RMS sinusoidni signal s vrlo niskom impedansom. Nekoliko stvari o tome treba reći:

50Hz - Mrežna frekvencija se vrlo precizno održava na 50Hz. Malo se razlikuje, ali 90% vremena je između 49,9-50,1Hz. Pogledajte ovdje. Možete zamisliti kako se svi enormni generatori u elektranama gore -dolje po zemlji okreću složno. Rotiraju se sinkrono proizvodeći za nas sinusoidni signal od 50Hz. Njihovoj kombiniranoj velikoj rotacijskoj inerciji potrebno je vrijeme da uspori ili ubrza.

U teoriji, ako je na mrežu priključeno ogromno opterećenje, to bi počelo usporavati proizvođače u zemlji. Međutim, kao odgovor, dečki u kontrolnom uredu Nacionalne mreže zatražili bi od elektrana da im podstaknu kotlove, pojačaju toplinu i prisile te generatore da teže prate potražnju. Stoga su ponuda i potražnja u kontinuiranom plesu.

Još nešto treba reći o signalu od 50Hz. Iako vrlo malo varira oko 50Hz, momci s vrha paze da prosječna frekvencija tijekom dana bude točno 50Hz. Dakle, ako je mreža na 49.95Hz 10 minuta, pobrinut će se da kasnije radi na 50.05Hz kako bi se točan broj ciklusa doveo do 50Hz x 60sekundi x 60minuta x 24 sata = 4, 320, 000/dan. To čine upravo koristeći Međunarodno atomsko vrijeme. Kućanski, uredski i industrijski aparati stoga mogu koristiti frekvenciju mreže kako bi zadržali vrijeme. To se obično radi na primjer s mehaničkim mjeračima utičnica.

230v - Ovo je RMS (Root Mean Square) napon signala od 50Hz. Stvarni signal kreće se do vrha od 325 V. Ovo je važno znati jer ako gradite pretvarač, morate proizvesti ovako visoke napone ako želite da struja teče u utikače.

U stvarnosti, naponi koji se vide na utikaču u vašoj kući prilično su promjenjivi. To je zbog pada napona na otporu u žicama, konektorima, osiguračima, transformatorima itd. Otpor je posvuda. Uključite li električni tuš koji vuče 11 kilovata (to je ~ 50 Ampera), tada će vam i otpor od 0,2 ohma pasti za 10 volti. Možda ćete to vidjeti kao svjetla koja se lagano prigušuju. Veliki motori, poput onih u hooverima, vuku velike struje dok motor ubrzava. Tako često vidite lagano treperenje svjetla kad ih uključite.

Mislim da je mrežni napon mnogo promjenjiviji. Ovdje u Velikoj Britaniji trebalo bi biti 230v s tolerancijom +10%/-6%. Možete očekivati nagle promjene i fluktuacije kada se veliki tereti u blizini uključe/isključe. Razmislite o sušilicama za rublje, čajnicima, pećnicama, hooverima itd.

Sinusoidni - Signal bi trebao biti lijep čisti sinusni val, ali u stvarnosti neki nelinearni uređaji usisavaju svoju snagu s određenih točaka ciklusa sinusnog vala. To uvodi izobličenja i zato signal nije savršen sinusni val. Nelinearna opterećenja obično uključuju napajanja računala, fluorescentna svjetla, punjače, televizore itd.

Ukupno harmonijsko izobličenje (THD) kvantificira to u valnom obliku. Postoje propisi o tome kako izlaz pretvarača mora biti čist. Ako ne može proizvesti dovoljno čist signal, neće biti odobren za prodaju. To je važno jer sadržaj harmonika u mreži smanjuje učinkovitost nekih uređaja povezanih s njom (osobito neparnih harmonika). Vjerujem da je maksimalni dopušteni THD 8%

Niska impedancija - Kada razmišljate o mrežnom pretvaraču, to će biti važno uzeti u obzir. Na mrežu su priključene sve vrste opterećenja, uključujući induktivna, otpornička i povremeno kapacitivna opterećenja. Dakle, impedancija je nepoznata i promjenjiva. Otpor je vrlo mali, što znači da ako spojite jako strujno opterećenje, napon neće pasti mnogo.

Korak 2: Kako napajanje utaknuti u mrežu

Za potiskivanje energije u mrežu moramo sintetizirati signal koji točno odgovara frekvenciji i fazi mreže, ali s naponom koji je ipak toliko veći.

Zbog niskog otpora mreže teško je točno znati koliko veći napon. A kako RMS napon varira, moramo se pobrinuti da s njim fluktuiramo. Samo stvaranje fiksnog napona od 50Hz, malo višeg od mrežnog napona, neće uspjeti!

PI Upravljanje izlaznom strujom

Ono što nam je potrebno je upravljačka petlja kojom mjerimo trenutnu struju koju unosimo u mrežu i automatski prilagođavamo naš izlazni napon za pokretanje željene struje. To će učinkovito pretvoriti naš izlaz u izvor struje (a ne u izvor napona) koji je prikladniji za pogon niskih impedancija. To možemo postići korištenjem PI (Proportional Integral) upravljačke petlje:

PI kontrolne petlje su fantastične! Imaju 3 dijela:

• Izmjerena vrijednost - struja koju stavljamo u električnu mrežu
• Zadana vrijednost - Struja koju želimo potisnuti u mrežu
• Izlaz - Napon signala za generiranje

Svaki put kada pozovemo PID algoritam, prolazimo najnovije mjerenje struje i željenu zadanu vrijednost. Vratit će proizvoljan broj (proporcionalan izlaznom naponu za generiranje).

Naš algoritam PID upravljanja omogućuje nam odabir izlazne struje koju želimo u bilo kojem trenutku. Za proizvodnju izlazne sinusoidne struje od 50Hz potrebno je kontinuirano mijenjati traženu struju na sinusoidan način.

PID algoritam poziva se svakih 100us (jednako 200 puta po ciklusu od 50Hz). Svaki put kad se pozove, može izravno prilagoditi izlazni napon i na taj način neizravno prilagoditi izlaznu struju. Kao rezultat toga, proizvodimo stupnjevani izlaz struje sličan onom prikazanom na slici sa svakim korakom koji se javlja svakih 100us. To daje dovoljno razlučivosti.

Upravljanje unaprijed

Možemo masovno smanjiti opterećenje PI kontrolera dodavanjem i kontrole za unaprijed. Ovo je jednostavno! Znamo približni izlazni napon koji ćemo trebati generirati (isto kao i trenutni mrežni napon). PI regulator tada se može ostaviti da doda mali dodatni napon potreban za pokretanje izlazne struje.

Regulator unaprijed usklađuje izlazni napon pretvarača s naponom mreže. Nikakva struja ne bi trebala teći ako se dovoljno dobro podudaramo. Stoga unaprijedna kontrola vrši 99% izlazne kontrole.

Zbog niskog otpora mreže, svaka razlika u našem izlaznom naponu FF -a i naponu mreže rezultirala bi velikom strujom. Stoga sam dodao pretvarač od 1 ohma u međuspremnik između pretvarača i mreže. To unosi gubitke, ali oni su prilično mali u velikoj shemi.

Korak 3: Proizvodnja izlaznog napona pomoću PWM -a

Iako neizravno kontroliramo izlaznu struju, to je izlazni napon koji generiramo u bilo kojem trenutku. Za proizvodnju izlaznog napona koristimo PWM (Pulse Width Modulation). PWM signali se lako mogu proizvesti mikrokontrolerima i mogu se pojačati pomoću H-mosta. To su jednostavni valni oblici koje karakteriziraju 2 parametra, frekvencija F i radni ciklus D.

PWM valni oblik prebacuje se između 2 napona, u našem slučaju 0v i V napajanja

• S D = 1,0, valni oblik PWM -a je jednostavno istosmjeran na V napajanju
• S D = 0,5, dobivamo kvadratni val s prosječnim naponom 0,5 x V napajanje (tj. D x V napajanje)
• S D = 0,1, dobivamo impulsni valni oblik s prosjekom razdoblja 0,1 x V napajanje
• S D = 0,0, izlaz je ravni (DC na 0v)

Prosječni napon je ono što je ključno. S niskopropusnim filtrom možemo ukloniti sve osim komponente prosječnog istosmjernog napona. Promjenom radnog ciklusa PWM -a D, možemo postići željeni istosmjerni napon. Slatko!

Zapošljavanje H-mosta

H-most sastoji se od 4 sklopna elementa. To mogu biti BJT, MOSFET ili IGBT. Za proizvodnju prve polovice (0 - 180 stupnjeva) sinusnog vala, fazu B smo postavili niskom tako što smo isključili Q3 i uključili Q4 (tj. Primijenili PWM s D = 0). Zatim izvodimo PWMing na fazi A. Za drugu polovicu, gdje je VAB negativan, postavljamo fazu A nisko i primjenjujemo naš PWM na fazu B. To je poznato kao bipolarno prebacivanje.

MOSFET-ove u H-mostu mora pokretati upravljački program vrata. Ovo je tema za sebe, ali jednostavan čip može to riješiti. Na razvojnoj ploči DRV8301 prikladno su smješteni H-most, upravljački programi vrata i trenutni ranžirnici što nam ovaj projekt čini pakleno lakšim.

Korak 4: Mjerenje struje

Svaka noga H-mosta ima ranžirni otpornik i diferencijalno pojačalo. Naši šanti su 0,01 ohma, a pojačala su podešena na pojačanje od 40. Stoga 1 pojačalo razvija 10 mV preko šanta koji se zatim pojačava na 400 mV.

Izlazi iz pojačivača šanta očitavaju 12 -bitni ADC -ovi na STM32F407 koji rade u načinu kontinuirane konverzije. ADC -ovi su postavljeni da uzorkuju svaki shunt pri 110KSPS, a DMA kontroler automatski zapisuje pretvorbe u kružni međuspremnik od 11 riječi u RAM -u. Kad se želi trenutno mjerenje, pozivamo funkciju koja vraća srednju vrijednost ovog međuspremnika od 11 riječi.

Budući da zahtijevamo trenutna mjerenja za svaku PID iteraciju (na 10KHz), ali ispunjavamo naše ADC međuspremnike od 11 riječi brzinom od 110KHz, trebali bismo dobiti potpuno svježe podatke za svaku PID iteraciju. Razlog korištenja medijanskog filtra je taj što PWM prebacivanje može unijeti šiljke u mješavinu, a medijanski filteri vrlo učinkovito iskorijeniti lažne ADC uzorke.

Ovdje treba istaknuti važnu točku: Koju nogu H-mosta koristimo za trenutna mjerenja? Pa ovisi o tome na kojoj smo nozi trenutno PWMing, a koja samo spuštena. Noga koja je nisko držana je ona iz koje želimo mjeriti svoju struju budući da struja uvijek teče kroz otpornik za odvod na toj strani. Za usporedbu, na strani koja je PWMed, kada je MOSFET sa visoke strane uključen, a niska strana isključena, struja ne protiče kroz donji dio sa strane. Dakle, mijenjamo na kojoj nozi mjerimo struju na temelju izlaznog polariteta pretvarača. To možete jasno vidjeti na slici koja prikazuje izlaz s jednog od šanterskih pojačala u određenom razdoblju. Očito želimo očitavati tijekom glatkog bita.

Radi lakšeg otklanjanja pogrešaka u našim trenutnim očitanjima. Postavio sam digitalno-analogni pretvarač na STM32F407. Napisao sam trenutna očitanja koja sam dobivao i opsegao izlaz. To možete vidjeti na konačnoj slici, plava je napon na izlaznom međuspremniku (tj. Izlazna struja/1,1 ohma), a crveni signal je naš DAC izlaz.

Korak 5: Filtriranje izlaza

Izlazni filter ključni je dio dizajna. Od njega su nam potrebne ove karakteristike:

1. Blokirajte sve prekidače visoke frekvencije, ali proslijedite signal od 50Hz
2. Mali gubici
3. Da ne odjekne!
4. Za suočavanje s uključenim strujama i naponima

Fourierova transformacija PWM signala frekvencije F, Radni ciklus D, između 0 - V napona napajanja je: (D x V napajanje) + sinusni valovi na osnovnoj frekvenciji F, a nakon toga i harmonici

Ovo je briljantno! To znači ako svoj PWM signal provedemo kroz niskopropusni filter koji blokira PWM temelj i sve gore navedeno. Ostaje nam samo pojam istosmjernog napona. Promjenom radnog ciklusa lako možemo proizvesti željeni napon između 0 - V napajanja, kako je objašnjeno.

Na temelju gore navedenih željenih karakteristika možemo dizajnirati izlazni filter. Potreban nam je niskopropusni filter izrađen s minimalnim otporom kako bismo izbjegli gubitke. Stoga samo koristimo induktore i kondenzatore. Ako odaberemo rezonantnu frekvenciju između 1 - 2KHz, izbjeći ćemo rezonanciju jer ne ubrizgavamo nikakve signale blizu te frekvencije. Evo našeg dizajna filtera. Naš izlaz uzimamo kao napon na C1.

Odabirom L1 = L2 = 440uH, C1 = 8,4uF izračunavamo rezonantnu frekvenciju od 1,85KHz. To su također realne vrijednosti komponenti.

Od vitalnog je značaja osigurati da naši induktori ne počnu zasićivati strujama koje očekujemo. Induktori koje sam koristio imaju 3A struju zasićenja. To će biti ograničavajući faktor izlazne snage našeg kruga. Napon napona kondenzatora također je važno uzeti u obzir. Koristim neku keramiku od 450V što je u ovom slučaju vrlo pretjerano!

Bode plot (za neznatno različite vrijednosti L/C) generiran je pomoću LTspice. Pokazuje nam slabljenje na različitim ulaznim frekvencijama. Jasno vidimo rezonantnu frekvenciju na 1,8KHz. Pokazuje da je signal od 50Hz gotovo u potpunosti neispravan, dok vam mogu reći da je signal od 45 KHz oslabljen za 54 dB!

Dakle, izaberimo da naša frekvencija nosača PWM bude ~ 45KHz. Odabirom većih frekvencija nositelja PWM -a, frekvencija filtera može se povećati. To je dobro jer smanjuje vrijednosti L i C. To znači manje i jeftinije komponente. Nedostatak je to što veće frekvencije prebacivanja PWM -a unose veće gubitke u tranzistorskim sklopkama.

Korak 6: Usklađivanje faze i frekvencije

Sinkronizacija s mrežnom fazom i frekvencijom čini pretvarač spoja na mrežu. Koristimo digitalnu implementaciju PLL -a (Phase Locked Loop) za postizanje točnog praćenja faze mrežnog signala. To radimo na sljedeći način:

1. Uzorkovanje mrežnog napona
2. Proizvodnja vlastitog lokalnog sinusoidnog signala od 50Hz
3. Usporedba faze između našeg lokalnog signala i mrežnog signala
4. Podešavanje frekvencije lokalnog signala sve dok razlika faza između 2 signala ne bude nula

1) Uzorkovanje mrežnog napona

Konfiguriramo treći ADC kanal za očitavanje mrežnog napona. To dobivamo naponom dijeleći transformatorsku slavinu kako je prikazano. To daje skalirani napon koji varira oko 1,65 V koji točno predstavlja napon mreže.

2) Stvaranje lokalnog sinusnog signala od 50HzProizvodnja vlastitog lokalnog sinusnog vala od 50 Hz je jednostavna. Pohranjujemo tablicu za pretraživanje s 256 sinusnih vrijednosti. Naša simulirana vrijednost sinusa lako se može dobiti pomoću indeksa pretraživanja koji se postupno okreće kroz tablicu.

Moramo povećati indeks točno odgovarajućom brzinom kako bismo dobili signal od 50Hz. Naime 256 x 50Hz = 12, 800/s. To činimo pomoću timer9 takta 168MHz. Čekajući 168MHz/12800 = 13125 otkucaja takta, pojačat ćemo indeks ispravnom brzinom.

3) Usporedba faze između našeg lokalnog signala i mrežnog signala Ovo je cool dio! Ako integrirate umnožak cos (wt) x sin (wt) tijekom 1 razdoblja, rezultat je nula. Ako je razlika u fazama nešto drugo osim 90 stupnjeva, dobit ćete broj koji nije nula. Matematički:

Integral [Asin (t) x Bsin (t + φ)] = Ccos (φ)

Ovo je super! Omogućuje nam usporedbu mrežnog signala, sin (ωt) s lokalnim signalom, sin (⍵t + φ) i dobivanje vrijednosti.

Međutim, postoji problem koji se mora riješiti: Ako želimo da naši signali ostanu u fazi, moramo prilagoditi svoju lokalnu frekvenciju kako bi Ccos (φ) termin bio maksimalan. Ovo neće funkcionirati dobro i imat ćemo loše praćenje faza. To je zato što je d/dφ ɑcos (φ) 0 pri φ = 0. To znači da se izraz Ccos (φ) neće jako mijenjati s promjenama u fazi. Ima li to smisla?

Bilo bi daleko bolje fazno pomaknuti uzorkovani mrežni signal za 90 stupnjeva tako da postane cos (ωt + φ). Zatim imamo ovo:

Integral [Asin (t) Bcos (t + φ)] = Csin (φ)

Uvođenje faznog pomaka za 90 stupnjeva je jednostavno, samo umetnemo uzorke napona mrežnog ADC napona u jedan kraj međuspremnika i kasnije ih izvadimo niz uzoraka, što odgovara pomaku faze od 90 stupnjeva. Budući da frekvencija mreže jedva varira od 50Hz, jednostavna tehnika odgode radi sjajno.

Sada množimo naš mrežni signal s faznim pomakom od 90 stupnjeva s lokalnim signalom i održavamo radni integral proizvoda u posljednjem razdoblju (tj. U posljednjih 256 vrijednosti).

Rezultat koji znamo bit će nula ako se dva signala točno drže 90 stupnjeva međusobno. Ovo je fantastično jer poništava fazni pomak koji smo upravo primijenili na mrežni signal. Samo da pojasnimo, umjesto maksimiziranja integralnog pojma, pokušavamo ga zadržati na nuli i mijenjamo fazni signal mrežnog napona. Fazni pomaci za 90 stupnjeva uvedeni ovim 2 izmjenama poništavaju jedni druge.

Dakle, ako je Integral_Result <0 znamo da moramo povećati frekvenciju lokalnog oscilatora kako bismo je vratili u fazu s mrežom, i obrnuto.

4) Podešavanje frekvencije lokalnog signalaOvaj bit je jednostavan. Jednostavno prilagođavamo razdoblje između povećanja kroz naš indeks. Ograničavamo koliko brzo možemo ispraviti faznu razliku u biti filtrirajući lažne događaje. To radimo pomoću PI kontrolera s vrlo malim I terminom.

I to je to. Zaključali smo naš lokalni sinusni oscilator (koji postavlja zadanu vrijednost izlazne struje) u fazi s mrežnim naponom. Implementirali smo PLL algoritam i radi kao iz snova!

Povećanje frekvencije našeg lokalnog oscilatora također smanjuje fazni pomak koji se stavlja na mrežni signal. Budući da ograničavamo podešavanje frekvencije na +/- 131 otkucaja (+/- ~ 1%), utjecati ćemo na fazni pomak za najviše +/- 1 °. To neće biti važno dok se faze sinkroniziraju.

Teoretski, ako bi mrežna frekvencija odstupila za više od 0,5Hz, izgubili bismo fazno zaključavanje. To je zbog našeg gornjeg ograničenja koliko možemo prilagoditi frekvenciju lokalnog oscilatora. Međutim, to se neće dogoditi osim ako mreža ne uspije. Naša zaštita od otoka će ionako početi djelovati u ovom trenutku.

Kod pokretanja provodimo detekciju prijelaza nulte točke kako bismo dali sve od sebe da pokrenemo signale u fazi od pomaka.

Korak 7: Protiv ostrva

Wikipedia ima sjajan članak o ostrvskim tehnikama i tehnikama protiv otoka. To također implicira da ljudi siktaju i mašu više nego što je potrebno kada se radi o ovoj temi. "Oh, ne možete izgraditi vlastiti mrežni pretvarač, ubit ćete nekoga itd. Itd."

Kako je bolje objašnjeno u članku wikipedije, primjenjujemo nekoliko sigurnosnih mjera opreza koje zajedno pružaju odgovarajuću zaštitu (po mom mišljenju):

1. Pod/prenapon
2. Under/Over frekvencija

Ove situacije možemo otkriti jednostavnom analizom našeg uzorkovanog skaliranog mrežnog napona. Ako nešto krene po zlu, onemogućite H-most i pričekajte da se stvari vrate u normalu.