Een enkelfasige omvormer ontwerpen en implementeren: 9 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:15

Deze Instructable onderzoekt het gebruik van Dialog's GreenPAK ™ CMIC's in vermogenselektronica-toepassingen en demonstreert de implementatie van een enkelfasige omvormer met behulp van verschillende besturingsmethoden. Verschillende parameters worden gebruikt om de kwaliteit van de enkelfasige omvormer te bepalen. Een belangrijke parameter is Total Harmonic Distortion (THD). THD is een maat voor de harmonische vervorming in een signaal en wordt gedefinieerd als de verhouding van de som van de vermogens van alle harmonische componenten tot het vermogen van de grondfrequentie.

Hieronder hebben we de stappen beschreven die nodig zijn om te begrijpen hoe de oplossing is geprogrammeerd om de enkelfasige omvormer te maken. Als u echter alleen het resultaat van het programmeren wilt hebben, download dan GreenPAK-software om het reeds voltooide GreenPAK-ontwerpbestand te bekijken. Sluit de GreenPAK Development Kit aan op uw computer en druk op programma om de enkelfasige omvormer te maken.

Stap 1: Enkelfasige omvormer

Een omvormer, of omvormer, is een elektronisch apparaat of circuit dat gelijkstroom (DC) verandert in wisselstroom (AC). Afhankelijk van het aantal fasen van de AC-uitgang zijn er verschillende soorten omvormers.

● Enkelfasige omvormers

● Driefasige omvormers

DC is de unidirectionele stroom van elektrische lading. Als een constante spanning wordt aangelegd over een zuiver resistief circuit, resulteert dit in een constante stroom. Ter vergelijking: met AC, keert de stroom van elektrische stroom periodiek de polariteit om. De meest typische AC-golfvorm is een sinusgolf, maar het kan ook een driehoekige of vierkante golf zijn. Om elektrisch vermogen met verschillende stroomprofielen over te dragen, zijn speciale apparaten vereist. Apparaten die AC omzetten in DC staan bekend als gelijkrichters en apparaten die DC omzetten in AC staan bekend als omvormers.

Stap 2: Topologieën van enkelfasige omvormer

Er zijn twee hoofdtopologieën van enkelfasige omvormers; half-bridge en full-bridge topologieën. Deze toepassingsnota richt zich op de full-bridge-topologie, aangezien deze een dubbele uitgangsspanning biedt in vergelijking met de halve-bridge-topologie.

Stap 3: Full-bridge topologie

In een topologie met volledige brug zijn 4 schakelaars nodig, aangezien de uitgangsspanning wordt verkregen door het verschil tussen twee takken van schakelcellen. De uitgangsspanning wordt verkregen door de transistoren op bepaalde tijdstippen intelligent in en uit te schakelen. Er zijn vier verschillende toestanden, afhankelijk van welke schakelaars gesloten zijn. De onderstaande tabel geeft een overzicht van de toestanden en uitgangsspanning op basis waarvan schakelaars zijn gesloten.

Om de uitgangsspanning te maximaliseren, moet de fundamentele component van de ingangsspanning op elke tak 180º uit fase zijn. De halfgeleiders van elke tak zijn complementair in prestaties, dat wil zeggen dat wanneer de ene de andere geleidt, wordt afgesneden en vice versa. Deze topologie wordt het meest gebruikt voor omvormers. Het diagram in figuur 1 toont het circuit van een full-bridge-topologie voor een enkelfasige omvormer.

Stap 4: Geïsoleerde poort bipolaire transistor

De Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) is als een MOSFET met de toevoeging van een derde PN-junctie. Dit maakt spanningsgestuurde regeling mogelijk, zoals een MOSFET, maar met uitgangskarakteristieken zoals een BJT met betrekking tot hoge belastingen en lage verzadigingsspanning.

Er kunnen vier hoofdregio's worden waargenomen op basis van zijn statische gedrag.

● Lawinegebied

● Verzadigingsgebied

● Snijgebied

● Actieve regio

Het lawinegebied is het gebied waar een spanning onder de doorslagspanning wordt toegepast, wat resulteert in de vernietiging van de IGBT. Het snijgebied omvat waarden van doorslagspanning tot drempelspanning, waarbij de IGBT niet geleidt. In het verzadigingsgebied gedraagt de IGBT zich als een afhankelijke spanningsbron en een serieweerstand. Met lage spanningsvariaties kan een hoge stroomversterking worden bereikt. Dit gebied is het meest wenselijk voor gebruik. Als de spanning wordt verhoogd, komt de IGBT het actieve gebied binnen en blijft de stroom constant. Er is een maximale spanning toegepast voor de IGBT om ervoor te zorgen dat deze niet in het lawinegebied terechtkomt. Dit is een van de meest gebruikte halfgeleiders in vermogenselektronica, omdat het een breed scala aan spanningen kan ondersteunen van enkele volts tot kV en vermogens tussen kW en MW.

Deze bipolaire transistors met geïsoleerde poort fungeren als schakelapparaten voor de enkelfasige omvormertopologie met volledige brug.

Stap 5: Pulsbreedtemodulatieblok in GreenPAK

Het Pulse Width Modulation (PWM) Block is een handig blok dat voor een breed scala aan toepassingen kan worden gebruikt. Het DCMP/PWM-blok kan worden geconfigureerd als een PWM-blok. Het PWM-blok kan worden verkregen via FSM0 en FSM1. PWM IN+ pin is verbonden met FSM0 terwijl IN-pin is verbonden met FSM1. Zowel FSM0 als FSM1 bieden 8-bits gegevens aan PWM Block. PWM-tijdsperiode wordt gedefinieerd door de tijdsperiode van FSM1. De duty-cycle voor het PWM-blok wordt bestuurd door de FSM0.

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

Er zijn twee opties voor de configuratie van de werkcyclus:

● 0-99,6%: DC varieert van 0% tot 99,6% en wordt bepaald als IN+/256.

● 0,39-100%: DC varieert van 0,39% tot 100% en wordt bepaald als (IN+ + 1)/256.

Stap 6: GreenPAK-ontwerp voor PWM-gebaseerde blokgolfimplementatie

Er zijn verschillende besturingsmethoden die kunnen worden gebruikt om een enkelfasige omvormer te implementeren. Een dergelijke regelstrategie omvat een op PWM gebaseerde blokgolf voor de enkelfasige omvormer.

Een GreenPAK CMIC wordt gebruikt om periodieke schakelpatronen te genereren om DC gemakkelijk om te zetten in AC. De DC-spanningen worden gevoed vanuit de batterij en de output verkregen van de omvormer kan worden gebruikt om de AC-belasting te voeden. Voor het doel van deze toepassing is de AC-frequentie ingesteld op 50 Hz, een veelgebruikte huishoudelijke stroomfrequentie in veel delen van de wereld. Dienovereenkomstig is de periode 20 ms.

Het schakelpatroon dat door GreenPAK moet worden gegenereerd voor SW1 en SW4 wordt weergegeven in figuur 3.

Het schakelpatroon voor SW2 en SW3 wordt getoond in figuur 4

De bovenstaande schakelpatronen kunnen gemakkelijk worden geproduceerd met behulp van een PWM-blok. De PWM-tijdsperiode wordt ingesteld door de tijdsperiode van FSM1. De tijdsperiode voor FSM1 moet worden ingesteld op 20 ms, wat overeenkomt met een frequentie van 50 Hz. De duty-cycle voor het PWM-blok wordt bestuurd door de gegevens afkomstig van FSM0. Om de 50% inschakelduur te genereren, is de FSM0-tellerwaarde ingesteld op 128.

Het bijbehorende GreenPAK-ontwerp wordt weergegeven in afbeelding 5.

Stap 7: Nadeel van Square Wave Control-strategie

Het gebruik van de blokgolfregelstrategie zorgt ervoor dat de omvormer een grote hoeveelheid harmonischen produceert. Naast de grondfrequentie hebben blokgolfomvormers oneven frequentiecomponenten. Deze harmonischen zorgen ervoor dat de machineflux verzadigd raakt, wat leidt tot slechte prestaties van de machine en soms zelfs tot beschadiging van de hardware. Daarom is de THD die door dit soort omvormers wordt geproduceerd, erg groot. Om dit probleem op te lossen, kan een andere regelstrategie, bekend als Quasi-Square Wave, worden gebruikt om de hoeveelheid harmonischen die door de omvormer wordt geproduceerd, aanzienlijk te verminderen.

Stap 8: GreenPAK-ontwerp voor op PWM gebaseerde quasi-vierkante golfimplementatie

In de quasi-blokgolfbesturingsstrategie wordt een uitgangsspanning van nul geïntroduceerd die de harmonischen in de conventionele blokgolfvorm aanzienlijk kan verminderen. De belangrijkste voordelen van het gebruik van een quasi-blokgolfomvormer zijn:

● Amplitude van de fundamentele component kan worden geregeld (door α te regelen)

● Bepaalde harmonische inhoud kan worden geëlimineerd (ook door α te regelen)

De amplitude van de fundamentele component kan worden geregeld door de waarde van α te regelen, zoals weergegeven in formule 1.

De n-de harmonische kan worden geëlimineerd als de amplitude nul wordt gemaakt. De amplitude van de derde harmonische (n=3) is bijvoorbeeld nul wanneer α = 30° (formule 2).

Het GreenPAK-ontwerp voor het implementeren van de quasi-vierkante golfregelstrategie wordt weergegeven in afbeelding 9.

Het PWM-blok wordt gebruikt om een vierkante golfvorm te genereren met een inschakelduur van 50%. De nul-uitgangsspanning wordt geïntroduceerd door de spanning die verschijnt over uitgang Pin-15 te vertragen. Het P-DLY1-blok is geconfigureerd om de stijgende flank van de golfvorm te detecteren. P-DLY1 detecteert periodiek de stijgende flank na elke periode en activeert het DLY-3-blok, dat een vertraging van 2 ms produceert voordat de VDD over een D-flip-flop wordt geklokt om de Pin-15-uitgang mogelijk te maken.

Pin-15 kan ervoor zorgen dat zowel SW1 als SW4 worden ingeschakeld. Wanneer dit gebeurt, zal er een positieve spanning over de belasting verschijnen.

Het P-DLY1 detectiemechanisme voor stijgende flank activeert ook het DLY-7-blok, dat na 8 ms de D-flip-flop reset en 0 V over de uitgang verschijnt.

DLY-8 en DLY-9 worden ook geactiveerd vanaf dezelfde stijgende flank. DLY-8 produceert een vertraging van 10 ms en activeert DLY-3 opnieuw, die na 2 ms de DFF zal klokken, wat een logische high over de twee AND-poorten veroorzaakt.

Op dit punt wordt Out+ van het PWM-blok 0, aangezien de werkcyclus van het blok was geconfigureerd op 50%. Out- verschijnt over Pin-16 waardoor de SW2 en SW3 worden ingeschakeld, waardoor een wisselspanning over de belasting wordt geproduceerd. Na 18 ms zal DLY-9 de DFF resetten en zal 0V verschijnen over de Pin-16 en de periodieke cyclus blijft een AC-signaal uitvoeren.

De configuratie voor verschillende GreenPAK-blokken wordt getoond in afbeeldingen 10-14.

Stap 9: Resultaten

12 V DC spanning wordt geleverd door de batterij naar de omvormer. De omvormer zet deze spanning om in een AC-golfvorm. De output van de omvormer wordt naar een step-up transformator gevoerd die 12 V AC-spanning omzet in 220 V die kan worden gebruikt om de AC-belastingen aan te drijven.

Conclusie

In deze Instructable hebben we een enkelfasige omvormer geïmplementeerd met behulp van Square Wave- en Quasi Square Wave-besturingsstrategieën met behulp van GreenPAK een CMIC. GreenPAK CMIC's fungeren als een handige vervanging van microcontrollers en analoge circuits die conventioneel worden gebruikt om een enkelfasige omvormer te implementeren. Bovendien hebben GreenPAK CMIC's potentieel in het ontwerp van driefasige omvormers.