Hvordan designe og implementere en enfaset inverter: 9 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:21

Denne instruksen utforsker bruken av Dialogs GreenPAK ™ CMIC-er i kraftelektronikkapplikasjoner og vil demonstrere implementering av en enfaset omformer ved hjelp av forskjellige kontrollmetoder. Forskjellige parametere brukes for å bestemme kvaliteten på enfaseomformeren. En viktig parameter er Total Harmonic Distortion (THD). THD er en måling av den harmoniske forvrengningen i et signal og er definert som forholdet mellom summen av effektene til alle harmoniske komponenter til kraften til grunnfrekvensen.

Nedenfor har vi beskrevet trinnene som trengs for å forstå hvordan løsningen er programmert til å lage enfaset inverter. Men hvis du bare vil få resultatet av programmeringen, kan du laste ned GreenPAK -programvare for å se den allerede fullførte GreenPAK -designfilen. Koble GreenPAK Development Kit til datamaskinen din og trykk på programmet for å lage enfaset inverter.

Trinn 1: Enfaset omformer

En kraftomformer, eller inverter, er en elektronisk enhet eller kretser som endrer likestrøm (DC) til vekselstrøm (AC). Avhengig av antall faser av AC -utgangen, er det flere typer omformere.

● Enfasede omformere

● Trefaseomformere

DC er en ensrettet strøm av elektrisk ladning. Hvis en konstant spenning påføres over en rent resistiv krets, resulterer det i en konstant strøm. Tilsvarende, med AC, reverserer strømmen av elektrisk strøm periodisk polariteten. Den mest typiske AC -bølgeformen er en sinusbølge, men den kan også være en trekantet eller firkantet bølge. For å overføre elektrisk kraft med forskjellige strømprofiler, kreves spesielle enheter. Enheter som konverterer AC til DC er kjent som likerettere og enheter som konverterer DC til AC er kjent som omformere.

Trinn 2: Topologier for enfaset inverter

Det er to hovedtopologier for enfasede omformere; halvbro- og fullbro-topologier. Denne applikasjonsnotatet fokuserer på fullbro-topologien, siden den gir dobbel utgangsspenning sammenlignet med halvbro-topologien.

Trinn 3: Fullbro-topologi

I en fullbro-topologi er det nødvendig med 4 brytere, siden den vekslende utgangsspenningen oppnås ved forskjellen mellom to grener av koblingsceller. Utgangsspenningen oppnås ved å slå transistorene intelligent på og av på bestemte tidspunkt. Det er fire forskjellige tilstander avhengig av hvilke brytere som er stengt. Tabellen nedenfor oppsummerer tilstandene og utgangsspenningen basert på hvilke brytere som er stengt.

For å maksimere utgangsspenningen må den grunnleggende komponenten i inngangsspenningen på hver gren være 180º ute av fase. Halvlederne i hver gren er komplementære i ytelse, det vil si når den ene leder den andre er avskåret og omvendt. Denne topologien er den mest brukte for omformere. Diagrammet i figur 1 viser kretsen til en fullbro-topologi for en enfaset inverter.

Trinn 4: Isolert Gate Bipolar Transistor

Den isolerte gate bipolare transistoren (IGBT) er som en MOSFET med tillegg av en tredje PNjunction. Dette tillater spenningsbasert kontroll, som en MOSFET, men med utgangskarakteristika som en BJT angående høy belastning og lav metningsspenning.

Fire hovedområder kan observeres på sin statiske oppførsel.

● Skredregion

● Metningsområde

● Klipp område

● Aktiv region

Skredområdet er området når en spenning under nedbrytningsspenning påføres, noe som resulterer i ødeleggelse av IGBT. Kuttområdet inkluderer verdier fra nedbrytningsspenning til terskelspenning, der IGBT ikke leder. I metningsområdet oppfører IGBT seg som en avhengig spenningskilde og en seriemotstand. Med lave spenningsvariasjoner kan høy forsterkning av strøm oppnås. Dette området er det mest ønskelige for drift. Hvis spenningen økes, går IGBT inn i det aktive området, og strømmen forblir konstant. Det brukes en maksimal spenning for IGBT for å sikre at den ikke kommer inn i skredområdet. Dette er en av de mest brukte halvledere innen kraftelektronikk, siden den kan støtte et bredt spenningsområde fra noen få volt til kV og effekt mellom kW og MW.

Disse bipolære transistorer med isolert gate fungerer som koblingsenheter for enfaset inverter-topologi med full bro.

Trinn 5: Pulse Width Modulation Block i GreenPAK

Pulse Width Modulation (PWM) -blokken er en nyttig blokk som kan brukes til et bredt spekter av applikasjoner. DCMP/PWM -blokken kan konfigureres som en PWM -blokk. PWM -blokken kan hentes gjennom FSM0 og FSM1. PWM IN+ pin er koblet til FSM0 mens IN-pin er koblet til FSM1. Både FSM0 og FSM1 gir 8-biters data til PWM Block. PWM -tidsperioden er definert av tidsperioden til FSM1. Driftssyklusen for PWM -blokken styres av FSM0.

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

Det er to alternativer for driftssykluskonfigurasjonen:

● 0-99,6%: DC varierer fra 0% til 99,6% og bestemmes som IN+/256.

● 0,39-100%: DC varierer fra 0,39% til 100% og bestemmes som (IN + + 1)/256.

Trinn 6: GreenPAK -design for PWM -basert firkantbølgeimplementering

Det er forskjellige kontrollmetoder som kan brukes til å implementere en enfaset inverter. En slik kontrollstrategi inkluderer en PWM-basert firkantbølge for enfaseomformeren.

En GreenPAK CMIC brukes til å generere periodiske koblingsmønstre for enkelt å konvertere DC til AC. Likestrømsspenningene mates fra batteriet, og utgangen fra omformeren kan brukes til å levere vekselstrøm. For bruk av denne applikasjonen, merk at AC -frekvensen er satt til 50Hz, en vanlig husholdningsfrekvens i mange deler av verden. Tilsvarende er perioden 20 ms.

Koblingsmønsteret som må genereres av GreenPAK for SW1 og SW4 er vist i figur 3.

Koblingsmønsteret for SW2 og SW3 er vist i figur 4

Koblingsmønstrene ovenfor kan enkelt produseres ved hjelp av en PWM -blokk. PWM -tidsperioden er angitt av tidsperioden til FSM1. Tidsperioden for FSM1 må settes til 20 ms tilsvarende 50 Hz frekvens. Driftssyklusen for PWM -blokken styres av dataene hentet fra FSM0. For å generere 50% driftssyklus er FSM0 -tellerverdien satt til 128.

Den tilsvarende GreenPAK -designen er vist i figur 5.

Trinn 7: Ulempen med Square Wave Control Strategy

Ved bruk av kvadratbølgekontrollstrategien får omformeren til å produsere en stor mengde harmoniske. Bortsett fra grunnfrekvensen har firkantbølgeomformere merkelige frekvenskomponenter. Disse harmonikkene forårsaker at maskinens flux blir mettet, noe som fører til dårlig ytelse av maskinen, noen ganger til og med skade maskinvaren. Derfor er THD produsert av disse typer omformere veldig stor. For å løse dette problemet kan en annen kontrollstrategi kjent som Quasi- Square Wave brukes for å redusere mengden harmoniske produsert av omformeren betydelig.

Trinn 8: GreenPAK-design for PWM-basert kvasi-kvadratisk bølgeimplementering

I kvasi-kvadratbølgekontrollstrategi introduseres en null utgangsspenning som kan redusere harmonikken som er tilstede i den konvensjonelle firkantbølgeformen. Store fordeler med å bruke en kvasi-kvadratisk bølgeomformer inkluderer:

● Amplituden til den grunnleggende komponenten kan kontrolleres (ved å kontrollere α)

● Enkelte harmoniske innhold kan elimineres (også ved å kontrollere α)

Amplituden til den grunnleggende komponenten kan kontrolleres ved å kontrollere verdien av α som vist i formel 1.

Den nende harmoniske kan elimineres hvis amplituden blir null. For eksempel er amplituden til den tredje harmoniske (n = 3) null når α = 30 ° (formel 2).

GreenPAK Design for Implementing the Quasi- Square Wave control strategy is shown in Figure 9.

PWM -blokken brukes til å generere en firkantet bølgeform med 50 % driftssyklus. Null utgangsspenning blir introdusert ved å forsinke spenningen som vises over utgang Pin-15. P-DLY1-blokken er konfigurert til å oppdage den stigende kanten av bølgeformen. P-DLY1 vil periodisk oppdage den stigende kanten etter hver periode og utløse DLY-3-blokken, som gir en forsinkelse på 2 ms før klokken på VDD over en D-flip-flopp for å aktivere Pin-15-utgangen.

Pin-15 kan føre til at både SW1 og SW4 slås på. Når dette skjer, vil en positiv spenning vises over lasten.

P-DLY1 stigende kantdeteksjonsmekanisme aktiverer også DLY-7-blokken, som etter 8 ms tilbakestiller D-flip-floppen og 0 V vises over utgangen.

DLY-8 og DLY-9 utløses også fra samme stigende kant. DLY-8 gir en forsinkelse på 10 ms og utløser DLY-3 igjen, som etter 2 ms vil klokke DFF og forårsake en logisk høyde over de to OG-portene.

På dette tidspunktet blir Out+ fra PWM -blokken 0, siden blokkens driftssyklus ble konfigurert til å være 50 %. Out- vil vises på tvers av Pin-16, noe som får SW2 og SW3 til å slå på, og produserer en vekslende spenning over lasten. Etter 18 ms vil DLY-9 nullstille DFF og 0V vil vises over Pin-16 og den periodiske syklusen fortsetter å sende ut et AC-signal.

Konfigurasjonen for forskjellige GreenPAK-blokker er vist i figurene 10-14.

Trinn 9: Resultater

12 V likspenning tilføres fra batteriet til omformeren. Omformeren konverterer denne spenningen til en AC -bølgeform. Utgangen fra omformeren mates til en trappetransformator som konverterer 12 V AC-spenning til 220 V som kan brukes til å drive vekselstrømslastene.

Konklusjon

I denne instruksjonsboken har vi implementert en enfaset inverter ved bruk av Square Wave og Quasi Square Wave kontrollstrategier ved bruk av GreenPAK en CMIC. GreenPAK CMIC fungerer som en praktisk erstatning for mikrokontrollere og analoge kretser som tradisjonelt brukes til å implementere en enfaset omformer. Videre har GreenPAK CMIC potensial i utformingen av trefasede omformere.