Yksivaiheisen invertterin suunnittelu ja toteutus: 9 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:00

Tässä Instructable-ohjelmassa tutkitaan Dialogin GreenPAK ™ CMIC -laitteiden käyttöä tehoelektroniikan sovelluksissa ja esitetään yksivaiheisen invertterin käyttöönotto eri ohjausmenetelmiä käyttäen. Yksivaiheisen invertterin laadun määrittämiseen käytetään erilaisia parametreja. Tärkeä parametri on kokonaisharmoninen särö (THD). THD on signaalin harmonisen vääristymän mitta, ja se määritellään kaikkien harmonisten komponenttien voimien summan suhteena perustaajuuden tehoon.

Seuraavassa kuvataan vaiheet, jotka tarvitaan ymmärtämään, miten ratkaisu on ohjelmoitu yksivaiheisen invertterin luomiseksi. Jos haluat vain saada ohjelmoinnin tuloksen, lataa GreenPAK -ohjelmisto nähdäksesi jo valmistuneen GreenPAK -suunnittelutiedoston. Liitä GreenPAK-kehityssarja tietokoneeseesi ja luo ohjelma, jos haluat luoda yksivaiheisen invertterin.

Vaihe 1: Yksivaiheinen invertteri

Tehosuuntaaja tai invertteri on elektroninen laite tai piiri, joka muuttaa tasavirran (DC) vaihtovirtaksi (AC). Vaihtovirtalähdön vaiheiden lukumäärästä riippuen inverttereitä on useita.

● Yksivaiheiset invertterit

● Kolmivaiheiset invertterit

DC on sähkövarauksen yksisuuntainen virtaus. Jos vakiojännite kohdistetaan puhtaasti resistiiviseen piiriin, se johtaa vakiovirtaan. Verrattuna vaihtovirtaan sähkövirran virta kääntää ajoittain napaisuuden. Tyypillisin AC -aaltomuoto on siniaalto, mutta se voi olla myös kolmion tai neliön aalto. Jotta sähköä voidaan siirtää eri virtaprofiileilla, tarvitaan erikoislaitteita. Laitteet, jotka muuntavat vaihtovirtaa tasavirtaksi, tunnetaan tasasuuntaajina ja laitteet, jotka muuttavat tasavirtaa vaihtovirraksi, tunnetaan inverttereinä.

Vaihe 2: Yksivaiheisen invertterin topologiat

Yksivaiheisilla inverttereillä on kaksi päätopologiaa; puolisillan ja täyden sillan topologiat. Tämä sovellushuomautus keskittyy täyden sillan topologiaan, koska se tarjoaa kaksinkertaisen lähtöjännitteen puolisillan topologiaan verrattuna.

Vaihe 3: Täyssiltainen topologia

Täyssillatopologiassa tarvitaan 4 kytkintä, koska vaihtojännite saadaan kahden kytkentäkennojen haaran erotuksella. Lähtöjännite saadaan kytkemällä transistorit älykkäästi päälle ja pois tiettynä ajankohtana. On neljä eri tilaa riippuen siitä, mitkä kytkimet ovat kiinni. Seuraavassa taulukossa on yhteenveto tiloista ja lähtöjännitteestä, joiden perusteella kytkimet ovat kiinni.

Lähtöjännitteen maksimoimiseksi kunkin haaran tulojännitteen peruskomponentin on oltava 180º vaiheen ulkopuolella. Kunkin haaran puolijohteet ovat toisiaan täydentäviä, eli kun toinen johtaa toista, se on katkaistu ja päinvastoin. Tätä topologiaa käytetään laajimmin inverttereissä. Kuvion 1 kaavio esittää yksivaiheisen invertterin täyssillatopologian piiriä.

Vaihe 4: Eristetty portin bipolaarinen transistori

Eristetty portti bipolaarinen transistori (IGBT) on kuin MOSFET, johon on lisätty kolmas PN -liitäntä. Tämä mahdollistaa jännitepohjaisen ohjauksen, kuten MOSFETin, mutta lähtöominaisuuksilla, kuten BJT, suurilla kuormituksilla ja matalalla kyllästysjännitteellä.

Sen staattisessa käyttäytymisessä voidaan havaita neljä pääaluetta.

● Lumivyöryalue

● Kylläisyysalue

● Leikkausalue

● Aktiivinen alue

Lumivyöhykealue on alue, jossa käytetään katkaisujännitteen alapuolella olevaa jännitettä, mikä johtaa IGBT: n tuhoutumiseen. Leikkausalue sisältää arvot katkaisujännitteestä kynnysjännitteeseen, jolloin IGBT ei johda. Kylläisyysalueella IGBT toimii riippuvana jännitelähteenä ja sarjaresistanssina. Pienillä jännitevaihteluilla voidaan saavuttaa suuri virranvahvistus. Tämä alue on halutuin toiminnalle. Jos jännitettä lisätään, IGBT siirtyy aktiiviselle alueelle ja virta pysyy vakiona. IGBT: lle on asetettu maksimijännite, jotta se ei pääse lumivyöryalueelle. Tämä on yksi tehoelektroniikan eniten käytetyistä puolijohteista, koska se voi tukea monenlaisia jännitteitä muutamasta voltista kV: hen ja tehoja kW: n ja MW: n välillä.

Nämä eristetyt portti-bipolaaritransistorit toimivat kytkentälaitteina täyssiltaiselle yksivaiheiselle invertteritopologialle.

Vaihe 5: Pulssinleveyden modulointilohko GreenPAKissa

Pulse Width Modulation (PWM) -lohko on hyödyllinen lohko, jota voidaan käyttää monenlaisiin sovelluksiin. DCMP/PWM -lohko voidaan määrittää PWM -lohkoksi. PWM -lohko voidaan hankkia FSM0: n ja FSM1: n kautta. PWM IN+ -nasta on kytketty FSM0: een, kun taas IN-nasta on kytketty FSM1: een. Sekä FSM0 että FSM1 tarjoavat 8-bittistä dataa PWM-lohkoon. PWM -ajanjakso määritellään FSM1: n ajanjaksolla. PWM -lohkon toimintajaksoa ohjaa FSM0.

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

Toimintajakson kokoonpanolle on kaksi vaihtoehtoa:

● 0-99,6%: DC vaihtelee 0%: sta 99,6%: iin ja määritetään IN+/256: ksi.

● 0,39-100%: DC vaihtelee välillä 0,39%-100% ja määritetään (IN + + 1)/256.

Vaihe 6: GreenPAK -suunnittelu PWM -pohjaiseen neliöaaltototeutukseen

Yksivaiheisen invertterin toteuttamiseen voidaan käyttää erilaisia ohjausmenetelmiä. Yksi tällainen ohjausstrategia sisältää PWM-pohjaisen neliöaallon yksivaiheiselle invertterille.

GreenPAK CMIC: ää käytetään jaksottaisten kytkentäkuvioiden luomiseen DC: n muuntamiseksi kätevästi AC: ksi. DC -jännitteet syötetään akusta ja invertteristä saatua lähtöä voidaan käyttää AC -kuorman syöttämiseen. Tätä sovellusta varten AC -taajuus on asetettu 50 Hz: iin, joka on yleinen kotitalouksien virtataajuus monissa osissa maailmaa. Vastaavasti aika on 20 ms.

Kytkentäkuvio, joka GreenPAKin on luotava SW1: lle ja SW4: lle, on esitetty kuvassa 3.

SW2: n ja SW3: n kytkentäkaavio on esitetty kuvassa 4

Yllä olevat kytkentäkuviot voidaan tuottaa kätevästi käyttämällä PWM -lohkoa. PWM -ajanjakso asetetaan FSM1: n ajanjaksolla. FSM1: n ajanjaksoksi on asetettava 20 ms, joka vastaa 50 Hz: n taajuutta. PWM -lohkon toimintajaksoa ohjaavat tiedot, jotka on hankittu FSM0: sta. 50%: n käyttöjakson luomiseksi FSM0 -laskurin arvoksi on asetettu 128.

Vastaava GreenPAK -malli on esitetty kuvassa 5.

Vaihe 7: Square Wave Control -strategian haitta

Neliöaaltosäätöstrategian käyttäminen saa invertterin tuottamaan suuren määrän harmonisia. Perustaajuuden lisäksi neliöaaltomuuntimissa on parittomia taajuuskomponentteja. Nämä yliaallot aiheuttavat koneen virtauksen kyllästymisen, mikä johtaa koneen heikkoon suorituskykyyn ja joskus jopa vahingoittaa laitteistoa. Siksi tämän tyyppisten invertterien tuottama THD on erittäin suuri. Tämän ongelman ratkaisemiseksi voidaan käyttää toista Quasi-Square Wave -ohjausstrategiaa, joka vähentää merkittävästi taajuusmuuttajan tuottamien yliaaltojen määrää.

Vaihe 8: GreenPAK-suunnittelu PWM-pohjaiselle kvaasi-neliöaaltototeutukselle

Kvaasi-neliöaallon ohjausstrategiassa otetaan käyttöön nollalähtöjännite, joka voi merkittävästi vähentää tavanomaisen neliöaaltomuodon yliaaltoja. Kvaasi-neliöaaltoinvertterin käytön tärkeimpiä etuja ovat:

● Peruskomponentin amplitudia voidaan ohjata (ohjaamalla α)

● Tietyt harmoniset sisällöt voidaan poistaa (myös ohjaamalla α)

Peruskomponentin amplitudia voidaan ohjata ohjaamalla a -arvoa, kuten kaavassa 1 esitetään.

N. Harmoninen voidaan eliminoida, jos sen amplitudi on nolla. Esimerkiksi kolmannen harmonisen amplitudi (n = 3) on nolla, kun α = 30 ° (kaava 2).

GreenPAK-suunnittelu Quasi-Square Wave -ohjausstrategian toteuttamiseksi on esitetty kuvassa 9.

PWM -lohkoa käytetään neliöaaltomuodon muodostamiseen 50 %: n toimintajaksolla. Nollalähtöjännite lisätään viivyttämällä jännitettä, joka näkyy ulostulossa Pin-15. P-DLY1-lohko on määritetty havaitsemaan aaltomuodon nouseva reuna. P-DLY1 havaitsee ajoittain nousevan reunan jokaisen jakson jälkeen ja laukaisee DLY-3-lohkon, joka tuottaa 2 ms: n viiveen ennen VDD: n lukitsemista D-flip-flopin yli Pin-15-lähdön ottamiseksi käyttöön.

Nasta-15 voi aiheuttaa sekä SW1: n että SW4: n käynnistymisen. Kun näin tapahtuu, kuorman yli tulee positiivinen jännite.

P-DLY1 nousevan reunan tunnistusmekanismi aktivoi myös DLY-7-lohkon, joka 8 ms: n kuluttua palauttaa D-flip flopin ja 0 V näkyy lähdössä.

DLY-8 ja DLY-9 laukaistaan myös samasta nousevasta reunasta. DLY-8 tuottaa 10 ms: n viiveen ja laukaisee DLY-3: n uudelleen, joka 2 ms: n kuluttua kellottaa DFF: n aiheuttaen loogisen korkeuden kahden AND-portin välillä.

Tässä vaiheessa Out+ PWM -lohkosta tulee 0, koska lohkon toimintajaksoksi määritettiin 50 %. Out- tulee näkyviin Pin-16: n yli, jolloin SW2 ja SW3 kytkeytyvät päälle ja tuottavat vaihtojännitteen kuorman yli. 18 ms: n kuluttua DLY-9 nollaa DFF: n ja 0V näkyy nastassa 16 ja jaksollinen jakso jatkaa AC-signaalin lähettämistä.

Eri GreenPAK-lohkojen kokoonpano on esitetty kuvissa 10-14.

Vaihe 9: Tulokset

12 V DC -jännite syötetään akusta taajuusmuuttajaan. Invertteri muuntaa tämän jännitteen AC -aaltomuodoksi. Taajuusmuuttajan lähtö syötetään tehomuuntajaan, joka muuntaa 12 V: n vaihtojännitteen 220 V: ksi, jota voidaan käyttää AC-kuormien käyttämiseen.

Johtopäätös

Tässä Instructable-ohjelmassa olemme toteuttaneet yksivaiheisen invertterin käyttäen Square Wave- ja Quasi Square Wave -ohjausstrategioita GreenPAK a CMIC -tekniikan avulla. GreenPAK CMIC -laitteet toimivat kätevästi mikro-ohjaimien ja analogisten piirien korvikkeena, joita perinteisesti käytetään yksivaiheisen invertterin toteuttamiseen. Lisäksi GreenPAK CMIC -laitteilla on potentiaalia kolmivaiheisten invertterien suunnittelussa.