Krug upravljačkog programa vrata za trofazni pretvarač: 9 koraka

2025 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2025-01-23 14:47

Ovaj projekt je u osnovi upravljački krug za opremu pod nazivom SemiTeach koju smo nedavno kupili za naš odjel. Prikazana je slika uređaja.

Spajanje ovog upravljačkog kruga na 6 MOSFET -ova generira tri izmjenična napona pomaknuta za 120 stupnjeva. Domet je 600 V za uređaj SemiTeach. Uređaj također ima ugrađene izlazne terminale za pogreške koji daju nisko stanje kada se otkrije pogreška u bilo kojoj od tri faze

Pretvarači se obično koriste u elektroenergetici za pretvaranje istosmjernog napona mnogih generacijskih izvora u izmjenične napone za učinkovit prijenos i distribuciju. Osim toga, oni se također koriste za izvlačenje energije iz serije neprekidnih napajanja (UPS). Pretvarači trebaju upravljački krug vrata za pogon prekidača za energetsku elektroniku koji se koriste u krugu za pretvaranje. Postoje mnoge vrste signala vrata koje se mogu implementirati. U sljedećem izvješću govori se o dizajnu i implementaciji upravljačkog kruga vrata za trofazni pretvarač koji koristi vodljivost od 180 stupnjeva. Ovo se izvješće usredotočuje na dizajn upravljačkog kruga vrata u kojemu su zapisani cjeloviti detalji dizajna. Nadalje, ovaj projekt također obuhvaća zaštitu mikrokontrolera i kruga tijekom uvjeta pogreške. Izlaz kruga je 6 PWM -ova za 3 kraka trofaznog pretvarača.

Korak 1: Pregled literature

Mnoge primjene 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 međusobnu faznu razliku od 120 stupnjeva kako bi postigli trofazni uravnoteženi izlaz. Za pokretanje ovog kruga mogu se primijeniti dvije vrste upravljačkih signala

• Vodljivost od 180 stupnjeva

• provodljivost od 120 stupnjeva

Način provođenja od 180 stupnjeva

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

Slika 1.2: Vodljivost od 180 stupnjeva

Način provođenja od 120 stupnjeva

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

Slika 1.3: Vodljivost od 120 stupnjeva

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 izvor istosmjerne struje doći do kratkog spoja i oštetiti strujni krug. Stoga je vrlo bitno dodati vrlo kratak vremenski interval između uključivanja ff jednog tranzistora i uključivanja drugog tranzistora.

Korak 2: Blok dijagram

Korak 3: Komponente

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

Popis komponenti

• Optokapler 4n35

• IC upravljački sklop 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 kruga. 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 upravljački ulaz koji se obično koristi za upravljanje MOSFET -ovima. Radi se o 500 V visokoj i niskoj bočnoj sklopnoj sklopki upravljačkog sklopa s tipičnim izvorima 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 ovaj naboj 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 kondenzatoru Cbs 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)]

Dok

Vf = Napredni pad napona na početnoj diodi

VLS = Pad napona na niskom bočnom FET -u (ili opterećenje za vozača s visoke strane)

VMin = Minimalni napon između VB i VS

Qg = Naboj na vratima visoke strane FET

F = Učestalost rada

Icbs (curenje) = Struja propuštanja Bootstrap kondenzatora

Qls = potrebno je mijenjanje razine po ciklusu

Odabrali smo vrijednost 47uF.

Tranzistor 2N3904

2N3904 je uobičajeni NPN bipolarni tranzistor koji se koristi za općenite primjene pojačanja 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 kako bi se osigurao znatno manji kapacitet diode (Ct). Kao rezultat toga, PIN diode djeluju kao promjenjivi otpornik s prednamještanjem prema naprijed i ponašaju se kao kondenzator s obrnutim pomakom. Karakteristike visoke frekvencije (mali kapacitet osigurava minimalne učinke signalnih vodova) čine ih prikladnima za upotrebu kao promjenjivi otpornički elementi u raznim aplikacijama, uključujući prigušivače, visokofrekventno prebacivanje signala (tj. Mobilne telefone koji zahtijevaju antenu) i AGC sklopove.

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. Kad je kontakt releja normalno otvoren (NO), dolazi do prekida kontakta kada 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 Vrata 7408

Logic AND Gate je vrsta digitalnih logičkih vrata čiji izlaz ide VISOKO do logičke razine 1 kada su svi njezini 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 timer/brojač velike brzine, USI, unutarnji i vanjski prekidi, 4-kanalni 10-bitni A/D pretvarač.

Korak 4: Objašnjenje rada i kruga

U ovom odjeljku rad kruga bit će detaljno objašnjen.

PWM generacija

PWM je generiran iz STM mikrokontrolera. TIM3, TIM4 i TIM5 korišteni su 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 = Vremensko razdoblje ∗ 60/360

kašnjenje = 20 ms ∗ 60/360

kašnjenje = 3,3 ms

Izolacija mikrokontrolera pomoću Optocouplera

Izolacija između mikrokontrolera i ostatka kruga izvedena je pomoću optičkog spregača 4n35. Izolacijski napon 4n35 iznosi oko 5000 V. Koristi se za zaštitu mikrokontrolera od obrnutih struja. Kako mikrokontroler ne može podnijeti negativni 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 osigurani su na ulazu IC -a. Budući da IR2110 nemaju ugrađena vrata Vrata, stoga se BJT koristi kao pretvarač na pin Lin. Zatim daje komplementarne PWM -ove MOSFET -ovima koje treba pokretati

Otkrivanje pogrešaka

Modul SemiTeach ima 3 pina za pogreške koji su obično VISOKI na 15 V. Kad god postoji greška u krugu, jedan od pinova ide na razinu LOW. Radi zaštite sastavnih dijelova kruga, krug se mora isključiti tijekom pogrešnih uvjeta. To je postignuto pomoću AND Gate -a, ATiny85 mikrokontrolera i 5 V releja. Upotreba vrata AND

Ulaz na vrata AND su 3 pina pogreške koji su u visokom stanju u normalnom stanju, tako da je izlaz vratašca AND u visokim uvjetima u normalnim uvjetima. Čim dođe do pogreške, jedan pinovi idu na 0 V pa stoga izlaz vrata I ide NISKO. To se može koristiti za provjeru postoji li pogreška u krugu ili ne. Vcc do vrata AND osigurava se putem Zener diode.

Rezanje Vcc kroz ATiny85

Izlaz AND vrata se šalje mikrokontroleru ATiny85 koji generira 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 kruga. IR2103 se koristi u simulacijama kao pojačalo struje koje nam daje komplementarne PWM -ove.

Shematski dijagram Shematski dijagram dan je kako slijedi:

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

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

Korak 6: Shematski prikaz i izgled PCB -a

Prikazan je shematski prikaz i izgled PCB -a izrađen na Proteusu

Korak 7: Rezultati hardvera

Dopunske PWM -ove

Sljedeća slika prikazuje izlaz jednog od IR2110 koji je komplementaran

PWM faze A i B

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

PWM faze A i C

Faze A i C su fazno pomaknute za -60 stupnjeva. 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 projekt je dodan.

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.

Ja se odjavljujem:)

Lijepi Pozdrav

Tahir Ul Haq

EE, UET LHR Pakistan